[비즈한국] 隨著詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）時代的開啟，天文學界迎來了一個全新的謎團，那就是“小紅點”（LRD, Little Red Dots）。自2024年韋布望遠鏡正式投入深空觀測以來，在宇宙的最邊緣捕捉到了無數個紅點，這讓天文學家們感到困惑。無論是哈勃空間望遠鏡還是此前的任何地基或空間望遠鏡，從未觀測到過此類天體。這是一種僅透過韋布望遠鏡的紅外觀測才能發現的奇異存在。
LRD通常出現在極其遙遠的過去，即大爆炸後約6億至16億年之間。迄今為止發現的最古老的LRD，記錄了132億年前的模樣。儘管目前已經發現了300多個LRD，但天文學家仍不知道它們究竟是什麼，各種猜測層出不窮。這些小紅點究竟是存在於遙遠初期宇宙的原始星系，還是太初時期存在的一顆巨大恆星？甚至連它們到底是恆星還是星系都無法確認。由於難以理解，偶爾會出現一些新聞標題稱LRD“威脅到了現有的大爆炸理論”。
然而，最近關於它們身份的一種非常獨特的假說出現了。天文學家對著名的LRD天體之一“MoM-BH*-1”進行了分析，並發現了一種前所未有的驚人可能性。或許，最近透過韋布望遠鏡在宇宙盡頭發現的數百個LRD，既不是微小的原始星系，也不是質量龐大的太初恆星。它們可能是一種前所未有的、既非恆星也非星系的全新天體。
LRD呈現出獨特的紅色。迄今為止發現的LRD絕大多數在紅外波段表現出非常均勻的光譜形態。在宇宙中，紅色通常意味著天體被巨大的塵埃雲所包裹。這是因為塵埃顆粒吸收其他光源釋放的光並被加熱至微溫後，會在紅外波段發射出紅光。典型代表是遙遠宇宙中一類獨特的類星體，即被熾熱塵埃濃密包裹的星系，天文學家將其簡稱為“Hot DOG”（熾熱塵埃遮蔽星系）。但Hot DOG並不能解釋LRD，因為LRD表現出的紅光和紅外輻射過於強烈，且視直徑太小，僅僅將其解釋為塵埃密度高的星系是不夠的。
大多數LRD含有高濃度的氫，因此在光譜中可以看到氫的特徵光譜線——巴耳末系（Balmer series）。然而，許多LRD的巴耳末線並不尖銳，而是呈現出兩側展寬的形態。這意味著LRD所包含的氫雲正以極高的速度旋轉。在極端情況下，它們似乎以接近每秒1000公里的速度繞著LRD的中心旋轉。這是中心存在超大質量黑洞的星系中常見的特徵。基於此，天文學家曾提出LRD可能是初期宇宙中較早形成的、擁有超大質量黑洞的原始星系。
但這一點也無法完美解釋所有現象。如果處於初期宇宙，新形成的超大質量黑洞應該正處於極其劇烈的活躍階段，應觀測到它們大肆吞噬周圍高密度氣體雲，並沿自轉軸噴射出巨大能量的景象。這種星系中心黑洞的極端狀態會產生包括紅外線、X射線、紫外線在內豐富多樣的光譜。然而，迄今為止韋布望遠鏡捕捉到的絕大多數LRD並未表現出這些特徵。因此，很難僅僅將其視為初期宇宙中形成的狂暴黑洞或活動星系核。
此外，許多LRD表現出一種被稱為“巴耳末跳躍”（Balmer break）的顯著特徵。巴耳末跳躍是指恆星或星系光譜在波長短於364.5nm時，亮度如同懸崖般驟降的現象。在由一個質子和一個電子組成的氫原子中，處於能級n=2的電子在吸收波長短於364.5nm的光子後，會躍遷到更高能級或被電離。通常，表面溫度較低的年老恆星，其大氣中含有大量處於n=2能級的電子。因此，在年老恆星聚集的星系中，由於大量n=2電子吸收光子，很容易觀察到光譜在364.5nm處驟降的巴耳末跳躍。
但這一事實反而讓LRD更加難以理解。韋布望遠鏡發現的LRD都生活在宇宙年齡不到10億年的極早期。按理說，這一時期的星系應當是剛剛開始誕生恆星的原始星系。然而，巴耳末跳躍通常在年老恆星聚集的星系中才能看到。這種矛盾使得LRD看起來像是一群“發育過快”的早熟星系。正因這些棘手的問題，一些媒體曾一度宣稱LRD的存在動搖了大爆炸理論的根基。
不過，這次的分析展示了一種能夠解釋LRD巴耳末跳躍特徵的新可能性。事實上，在氫原子中，電子很難長期保持在n=2能級。處於該狀態的電子非常不穩定，僅需1-2納秒就會回落到更穩定、能量更低的n=1能級，並釋放出萊曼系（Lyman series）的光。然而，大多數LRD在光譜中表現出明顯的巴耳末跳躍，這意味著某種機制一直在強制LRD內部氫原子中的大多數電子保持在n=2能級。
讓我們思考一下發生這種情況的極端條件。例如，氫原子的密度過高的情況。在這種高密度氣體中，氫原子之間的碰撞變得頻繁，電子在試圖落回n=1能級時，會再次獲得能量躍升至n=2能級。如果氫原子密度極高，導致從n=2回落的頻率與重新躍升至n=2的頻率保持平衡，那麼氣體雲中保持在n=2狀態的電子數量就會持續維持在較高水平。如此一來，即使一顆恆星也沒有，氣體雲自身也能導致n=2狀態的電子持續吸收特定波長以下的光，從而在光譜中產生明顯的巴耳末跳躍特徵。
應用這一假說，可以推匯出一個非常有趣的場景：中心有一個超大質量黑洞，它被一團密度極高的氫氣包圍。這裡沒有恆星，只有黑洞隱藏在超高密度的濃密氣體雲核心中。這就像黑洞生活在一個巨大的氫氣“蠶繭”中。根據模型，這個包裹著超大質量黑洞的氫氣繭的密度，竟相當於普通恆星上層大氣的密度！這意味著它不是星系中稀疏的星際物質，而是像恆星大氣一樣，被高密度原子緊密包圍著中心黑洞。
在本次分析中，天文學家透過韋布望遠鏡的紅外光譜觀測，分析了LRD之一的MoM-BH*-1。他們證實，當應用這一包裹著黑洞的氣體雲模型時，實際觀測到的光譜得到了完美的解釋。一箇中心擁有超大質量黑洞、外圍被普通恆星大氣密度級別的高密度氣體雲包裹的天體，其氣體雲半徑僅為40個天文單位（AU）。這比我們的太陽系還要小，簡直不可思議！它看起來不像原始星系，更像是一箇中心藏著超大質量黑洞的“巨型紅星”。這是任何已知恆星或星系都無法定義的、前所未有的全新天體。天文學家將其命名為“黑洞星”（Black Hole Star）。
如果用“黑洞星”這一新類別來解釋LRD，那麼此前LRD面臨的最大難題之一——質量看起來過重的問題——也得到了自然解決。天文學家發現，應用新模型後，這些天體所含超大質量黑洞的質量計算結果大幅減輕。其質量減小至太陽質量的10萬至1000萬倍，比之前估算的值輕了100倍以上。這屬於中等質量黑洞的範疇，是宇宙早期階段剛好形成的黑洞所擁有的合理質量範圍。大爆炸後因質量過重而引發的混亂問題隨之自然化解。
這篇論文提出的LRD的驚人可能性，為現代天文學的古老謎題——星系與其中心超大質量黑洞之間的聯絡提供了新線索。天文學家們至今仍在思考：是星系先誕生而後中心黑洞生長，還是黑洞先形成而後周圍形成了星系？這是一個天文學界長久以來的“雞與蛋”難題。
然而，這一新方案提供了線索：在初期宇宙中，極端高密度的氣體雲凝聚，其中心首先形成的不是恆星，而是中等質量黑洞。當這樣形成的“黑洞星”透過相互碰撞增長體積後，便會最終演變成今日所見的超大質量黑洞。在此過程中，周圍誕生了普通恆星，從而形成了今日星系的形態。我們終於能夠窺見宇宙歷史的第一顆紐扣究竟是星系還是黑洞了。
參考
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250316596N/abstract
作者池雄培（音譯）是？熱愛貓咪與宇宙。童年時期因觀看《銀河鐵道999》而夢想著向世人傳遞宇宙之美。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙論研究室從事星系相互作用演化的研究，並開展講座、撰寫專著等多種科學傳播活動。著有《曖昧中的天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光的科學》等書籍。