[비즈한국] 詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）正在宇宙盡頭、大爆炸後的初期，不斷髮現此前意料之外的驚人景象。其中，令天文學家尤為困惑的發現，莫過於在宇宙最遠端發現的那些微小、暗淡且發出紅光的斑點。這些斑點被稱為“小紅點”（Little Red Dots，簡稱LRD）。據推測，它們可能是大爆炸後宇宙年齡不足10億年時存在的原始星系或原始黑洞，但其確切身份目前尚無法定論。
有時，一些媒體和博主為了轉達天文學界對新發現的興奮之情，會借用部分調皮天文學家的話，誇大報道稱“大爆炸理論本身正受到威脅”。所幸的是，目前尚未出現足以顛覆現有大爆炸理論的發現，但這確實是一個足夠迷人且有趣的發現，足以讓媒體使用此類措辭。
“小紅點”是在詹姆斯·韋布望遠鏡探索大爆炸初期可能存在的超大質量黑洞過程中被發現的。大爆炸後的初期宇宙相較於現在演化程度較低，當時超新星還未充分爆發。大部分割槽域僅由純淨的氫和氦構成，由這些物質組成的星系自然也不例外。原始星系理應呈現出氫元素釋放出的強烈發射線。
然而，如果原始星系中心自誕生起就存在巨大的黑洞，那麼它們應該像現代星系一樣，圍繞中心黑洞進行快速旋轉。在此過程中，星系中部分氣體物質會向遠離我們的方向移動，而另一半則向我們靠近。觀測移動物體的光時，會觀察到波長變長或變短的“多普勒效應”。
因此，中心擁有大質量黑洞並快速旋轉的星系，其發出的光在光譜上會向波長更長或更短的兩側擴散。光譜中原本尖銳的化學成分發射線，會變得扁平並散佈在更寬的波長範圍內，這被稱為“譜線增寬”。特別是黑洞質量越大，星系旋轉越快，光譜的譜線寬度也會越寬。這種特徵被稱為“寬線”（Broad line）。
此外，詹姆斯·韋布觀測的宇宙盡頭星系，正伴隨宇宙膨脹以遠超光速的速度遠離我們。這種宇宙膨脹導致星系光發生“紅移”，使光向極長的波長偏移。原本星系中的氫氣發出的光處於波長較短的紫外線波段，但在飛向地球的漫長歲月裡，波長被拉長到了紅外線波段。詹姆斯·韋布所看到的那些紅色且模糊的斑點，正是經歷了這種極端紅移的幾十億年前的光。
然而，隨著小紅點被一個個發現，一個令人困惑的事實浮出水面。起初，天文學家認為這些小紅點是來自遙遠宇宙盡頭、中心蘊含巨大黑洞的光，因宇宙膨脹而拉長了波長。但問題並非如此簡單。迄今發現的大多數小紅點並沒有表現出明顯的譜線增寬現象。如果是中心蘊含巨大黑洞的星系，本應展現的特徵卻不見蹤影！其奇怪程度甚至引發了人們關於它們是否根本不是我們所認為的普通星系的討論。
對此，學界有幾種假設。首先，中心超大質量黑洞發出的能量可能過於強大，導致繞黑洞執行的星系中普通恆星和氣體的光被遮掩了。或者，作為大爆炸初期星系，它們可能比現在看到的要小得多。此外，它們可能被密度極高的塵埃雲所包圍，導致星系內部發出的更明亮、更短波長的藍光被大部分阻擋，從而顯得格外紅。
天文學家分析了詹姆斯·韋布發現的小紅點之一——CANUCS-LRD-z8.6。這是一個紅移值約8.6的遙遠星系，保留了宇宙年齡僅5.8億年時的樣貌。因此，其金屬元素含量極低。該星系雖然微弱，但能明顯確認到譜線增寬。據此推算，中心隱藏的黑洞質量似乎超過了太陽質量的千萬倍。
我們銀河系中心的黑洞質量約為太陽質量的400萬倍，這意味著斑點裡的黑洞簡直“重得過分”。在宇宙年齡不足6億年的嬰兒期原始星系中，竟然存在著比我們擁有100多億年曆史的銀河系還要重兩倍以上的黑洞！在宇宙剛剛誕生的遙遠過去，存在如此巨大的黑洞確實令人難以置信。
黑洞透過強大的引力吸積物質而成長。但即便是黑洞，也無法無限制地吞噬。當週圍聚集的物質被加熱時，會向黑洞外部釋放強大的能量。黑洞吞噬的物質越多，向四面八方釋放的能量就越強。如果黑洞吞噬得過於貪婪，向外釋放的能量會變得過強，從而阻止其繼續吸入物質。
這種黑洞吞噬物質的極限被稱為“愛丁頓極限”。在我們的認知中，突破這一極限的“暴風式增長”是不可能的。然而，詹姆斯·韋布照片中的小紅點，無疑展示了這種如果不經歷暴風式增長就無法解釋的“超重量級”原始黑洞的存在。
對此有一種替代解釋：在原始黑洞形成時，周圍沒有產生其他恆星，只孤零零地形成了一個超大質量黑洞。阻止黑洞暴風式增長的因素是周圍被吸入的星體和氣體雲加熱產生的能量。因此，如果這種能量沒有產生，黑洞或許能以我們認知之外的速度和規模進行“暴飲暴食”。
如果原始宇宙中存在的巨大氣體雲在沒有形成恆星的情況下，直接坍縮並聚合成超大質量黑洞，即發生“直接坍縮”（Direct collapse），那麼這種可能性或許存在。如果情況確實如此，那麼詹姆斯·韋布望遠鏡發現的小紅點，實際上就是遊蕩在初期宇宙混沌中、不屬於任何星系的“流浪超大質量黑洞”！
媒體經常提到“大爆炸理論受到威脅”，如果用一句話總結詹姆斯·韋布最近的發現及其意義，可以說：“大爆炸後的初期星系和黑洞的增長速度，似乎比此前預想的要快得多。”在詹姆斯·韋布升空前，人類只能回溯到大爆炸後10億年的宇宙，那時人們認為宇宙自誕生起就按照我們已知的適中速度演化。但透過詹姆斯·韋布窺探到大爆炸後10億年以內的宇宙後，我們發現了宇宙在幼年時期或許經歷了更快速的“生長痛”這一跡象。
事實上，關於初期宇宙黑洞和星系可能經歷了更劇烈增長的跡象，早先透過其他巡天觀測已得到謹慎探討。透過繪製全天星系地圖的“斯隆數字巡天”（SDSS），天文學家已在20億至30億光年外的遙遠距離發現了被稱為“綠豆星系”（Green pea galaxy）的綠色斑點。由於這些星系氧密度極高且豐富，綠色波長的光顯得格外明亮。但由於它們是遙遠過去的嬰兒星系，體積僅為我們銀河系的十分之一。因此在巡天照片中，它們看起來像一顆顆小綠豆。
走出綠豆地，前往更遙遠的宇宙，會遇到顏色更暗、更模糊的“藍莓地”。在照片中，在接近紫色的藍色短波波段中勉強能看清的、模糊的小斑點被稱為“藍莓星系”（Blueberry galaxy）。從2017年開始的正式巡天觀測中，確認的藍莓星系已超過1500個。推測它們是高密度聚集了明亮、幼小藍色恆星的星系。它們可能是比現代星系高出10到100倍恆星形成率的“星爆星系”。同樣地，因為它們是更遙遠宇宙中的嬰兒星系，發育未完全，體積僅為銀河系的3000分之一。
我們曾以為宇宙中到處都是像向日葵一樣圓潤碩大的星系。以為越往遙遠的過去看，就只會看到尚未長大的、微小的葵花籽。但事實並非如此。當我們向更遙遠的宇宙邁出一步時，遇到了意想不到的廣闊綠豆地，再邁出一步，又遇到了巨大的藍莓地。如今，當我們透過詹姆斯·韋布抵達可觀測宇宙的邊緣時，又遇見了預料之外的巨大紅色高粱地。今天我們這片充滿璀璨星系的宇宙，正是138億年前在那片紅色高粱地中綻放的花朵。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204983T/abstract
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2024arXiv241204557L/abstract
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓和宇宙。小時候看過《銀河鐵道999》後，立志傳播宇宙的美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究星系透過相互作用進行的演化，同時開展講座、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，光的科學》等書籍。