[비즈한국] 10年前，科學家們在巴勃羅·畢加索的早期作品《藍色房間》中發現了一幅隱藏的畫作。透過紅外相機分析，在覆蓋帆布的顏料下顯現出了一幅男子的肖像。這幅神秘肖像的主角是誰？畢加索為何要畫下這幅畫，又為何在上面重新繪製了新作品？一系列新的疑問隨之產生。
正如紅外線能揭示我們所知世界之外隱藏的未知，宇宙探索亦是如此。詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）利用紅外線觀測宇宙，正在揭示哈勃望遠鏡時代無法想象的宇宙新秘密。
尤其近期有一項發現令天文學家感到困惑，那就是在宇宙邊緣不斷被發現的“紅色小斑點”（Little Red Dots, LRD）。觀察詹姆斯·韋布拍攝的多張觀測照片，在明亮的近處恆星和星系之間的漆黑宇宙背景中，總能清晰地看到這些紅色小斑點。它們的數量非常多，更令人困惑的是，在我們周圍較近的宇宙中卻找不到這些斑點。只有當我們透過詹姆斯·韋布望遠鏡看向極其遙遠的宇宙時，它們才會出現。對於這些斑點的真實身份，天文學家們目前尚不清楚。紅外線在揭開宇宙隱藏的未知的同時，也向我們丟擲了新的問題。
天文學家們此前並未預料到這些紅色斑點會隱藏在宇宙的盡頭。觀測它們並非最初的目的。當時研究人員是為了驗證“再電離時期”——即推測在大爆炸後初期宇宙中，隨著新恆星和星系的形成，整個宇宙被照亮並被電離的時期——但沒想到照片中出現瞭如此多的紅色斑點。
這些天體在紅外波段呈現紅色的原因，主要有兩種可能性。首先，由於距離過於遙遠，它們可能經歷了由宇宙膨脹引起的極端紅移。如果是這樣，它們實際上是誕生於大爆炸後僅6億至7億年的宇宙極早期原初星系。
然而，導致星系光線變紅的原因不僅僅是宇宙膨脹。如果星系含有大量塵埃，它也會顯得更紅。塵埃在吸收星系發出的絕大部分光線後，會在更長的紅外波段重新輻射，從而將星系的光染成紅色。塵埃是天文學家在確定星系具體引數時最頭疼的“麻煩製造者”，因為根據星系含有的塵埃量不同，星系的亮度以及透過光線推算的星系總質量可能會發生巨大變化。
目前，天文學家正透過詹姆斯·韋布開展兩個大型專案來觀測再電離時期的宇宙，分別是EIGER（再電離時期發射線星系與星系際氣體專案）和FRESCO（首次再電離時期光譜完整觀測專案）。到目前為止，觀測的天空區域非常狹小。小到什麼程度呢？大約相當於伸直手臂後，拇指指甲遮住的面積的二十分之一。用參與該專案的科學家的話說，他們至今“只是用指甲輕輕颳了一下宇宙的邊緣”。
這些紅色斑點之所以令人驚奇，另一個原因是它們的體積被推測得太小了。根據詹姆斯·韋布照片中紅色斑點的尺寸推算，它們的大小不超過500光年，甚至有的僅有100光年左右。這小到無法被稱為星系。以我們的銀河系為例，其直徑就達到了10萬光年。然而這些紅色斑點比普通星系小了近100到1000倍。它們真的能被稱為由數千萬乃至數億顆恆星匯聚而成的“星系”嗎？
最近，一些天文學家推測，在這些紅色小斑點的中心，可能存在著剛剛開始生長的嬰兒期超大質量黑洞。其依據之一是，在紅色斑點的光譜中確認到了氫原子高速運動的發射線。星系中心存在黑洞，可以透過周圍受強引力束縛、以極高速度運動的氣體雲間接證實。
含有氫原子的氣體雲會在特定波段發射光線，其痕跡表現為星系整體光譜中纖細而尖銳的發射線。如果氣體雲在中心黑洞引力的束縛下高速運動，就會產生多普勒效應，導致發射線的波長偏向更短或更長的一端。運動速度越快，波長偏離的程度就越大，發射線也會變得更寬、更扁平。這是大多數擁有巨大且狂暴黑洞的活動星系所表現出的典型特徵。
如果能測量出星系中心運動氣體雲的速度，就可以推算中心正在生長的超大質量黑洞的質量規模。如果詹姆斯·韋布確認的這些紅色斑點確實是包含黑洞的星系，那麼其中的黑洞質量應該在太陽質量的數百萬倍到數億倍之間，且顯得異常沉重！
然而，這令人非常困惑。這些紅色斑點是宇宙僅有6億到7億歲時存在的幼年原初星系，即宇宙歷史才剛剛過去5%的極早期階段。在這樣的初期宇宙中，星系和其中心的黑洞理應處於剛開始生長的幼年期，質量較小。但詹姆斯·韋布的證據卻顯示，在宇宙早期就已經存在質量高達太陽數億倍的重型黑洞。這就好比走進幼兒園，卻發現裡面擠滿了身高2米的壯漢。
更令人驚奇的是將中心黑洞質量與星系總質量進行對比。通常情況下，像我們銀河系這類普通規模的星系，中心黑洞所佔的比例相對於星系的總恆星質量非常小，僅為千分之一。幾乎所有星系都遵循這種比例關係：當星系總質量增加2倍時，其中心黑洞的質量也會增加2倍。
人們原本以為詹姆斯·韋布在早期宇宙中發現的紅色斑點也會遵循這一比例，但事實完全相反。這些紅色斑點星系的中心黑洞相對於它們的體量來說過於沉重。如果假設它們確實是星系，那麼黑洞佔據了其推測總質量的30%到40%！
這是一個令人無法理解的巨大質量比。如果把星系比作豆沙餡包子，那麼我們周圍普通的星系裡，豆沙餡的比例其實非常小，幾乎全是麵糰。然而詹姆斯·韋布確認的這些“紅色斑點包子”，裡面近一半都被豆沙餡填滿了。這簡直是宇宙中不敢想象的“餡料十足”。這讓此前從未見過如此滿溢豆沙餡的天文學家們感到“消化不良”。
如果這是事實，可以推測在早期宇宙中，黑洞的生長速度遠超我們現在的認知。但這一假設也存在問題。快速生長的星系中心黑洞會向外發射強烈的X射線、伽馬射線等高能光線。天文學家利用錢德拉X射線空間望遠鏡的過往觀測結果進行比對，試圖驗證這些被懷疑在“爆發式生長”的紅色斑點星系是否確實發射了強力的高能X射線。然而，沒有檢測到任何X射線。對於所謂的“快速生長黑洞”來說，它們太安靜了。
那麼，可以考慮另一種可能性：這些紅色斑點可能並非中心擁有巨大黑洞，僅僅是恆星高密度聚集的一種原初星系形態。但這裡也有問題。星系中心爆發式生長的黑洞會釋放出普通恆星無法比擬的巨大能量，這足以解釋詹姆斯·韋布觀測到的紅色斑點的總能量。但如果假設中心沒有黑洞，問題就變得複雜了。
如果要用能量遠低於黑洞的恆星來填補紅色斑點的所有能量，就需要極大量的恆星。如前所述，紅色斑點的體積被推測得極小，僅有100到500光年的規模。結論就是，在比銀河系小1000倍的狹小空間裡，必須擠滿數量堪比銀河系的恆星。如果恆星以如此高的密度聚集，那麼直接看作它們彼此揉搓並形成巨大黑洞可能更合理。
天文學家們甚至正在考慮這些紅色斑點可能是早期宇宙中正在生長的新類星體的嬰兒版本。如果是這樣，這些斑點可能為銀河系天文學領域尚未明確解決的“銀河系中心超大質量黑洞的誕生與生長”提供重要線索。因為這可能是實時觀測銀河系中心巨大黑洞形成過程的現場。同時，還能揭示星系總質量與中心黑洞質量為何能保持相同的比例關係共同生長，即兩者共生關係的秘密。有趣的是，詹姆斯·韋布發現的這些紅色斑點，對天文學家和大爆炸宇宙論來說，並不是紅燈，而是綠燈。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv240500504M/abstract
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad4265
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad2345
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad55f7
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立志成為傳播宇宙之美的人。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用引發的演化，並進行講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧的天文臺》、《整天想宇宙》、《星，光之科學》等書。