恒星还是湍流，宇宙是如何破裂的，又是如何修补的

摘要：天文学家们可能通过收集一些迄今所见最古老星系中的最大样本——也就是詹姆斯.韦伯太空望远镜观测到的那些“小红点”，从而“拯救了宇宙学”。这项研究背后的团队发现，他们样本中的大多数古老星系——存在于大爆炸后不到15 亿年——似乎承载着正在快速进食即“吸积”的超大质

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詹姆斯.韦伯太空望远镜观测到供养黑洞的小红点：“这是解决宇宙破裂问题的方法”

宇宙早期真有那么多恒星吗——谁在供养神秘的黑洞，谁来修补“破裂”的宇宙

“这是解决宇宙破裂问题的方法。”

一副插图展示太空中的詹姆斯.韦伯望远镜，旁边是它的观测目标——一些目前所见宇宙中最古老的星系，也即所谓的“小红点”。

（图片来源：美国航空航天局，欧洲航天局，加拿大航天局，空间望远镜研究所，戴尔·科切夫斯基（科尔比学院）/罗伯特.李（使用可画软件制作））

天文学家们可能通过收集一些迄今所见最古老星系中的最大样本——也就是詹姆斯.韦伯太空望远镜观测到的那些“小红点”，从而“拯救了宇宙学”。这项研究背后的团队发现，他们样本中的大多数古老星系——存在于大爆炸后不到15 亿年——似乎承载着正在快速进食即“吸积”的超大质量黑洞。这项研究应该会终结一种说法，即所谓詹姆斯·韦伯太空望远镜已经“打破了宇宙学”。产生这种说法的原因，是詹姆斯.韦伯太空望远镜探测到了非常明亮的早期星系，而这些星系似乎包含了比之前预期多得多的在宇宙极早期就存在的恒星。然而，目前这项新研究表明，这些小红点发出的光，其实大部分是由其中心的大量宇宙巨星所产生的湍流引起。

“詹姆斯·韦伯太空望远镜发现的这群新天体让我们感到困惑。我们并没有看到红移较低的类似天体（对应较近的距离），这就是为什么我们在詹姆斯·韦伯太空望远镜之前没有观测到它们的原因，”科比学院的团队负责人戴尔·科切夫斯基在一份声明中说。

“目前正在进行大量工作，试图确定这些小红点的性质，以及它们的光是否由正在吸积的黑洞所主导。”

詹姆斯.韦伯太空望远镜观测到的红色

早在 2022 年当詹姆斯.韦伯太空望远镜发现这些小红点时，天文学家就已经知道这些小红点代表了一种从未见过的新的星系类型。当时使他们感到困惑的是，这些星系在早期宇宙中似乎非常普遍。

正在吞噬的超大质量黑洞可能已经终结了宇宙在数十亿年前的“黑暗时代”

詹姆斯·韦伯太空望远镜发现，黑洞可以抑制恒星的形成

该团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的“宇宙演化早期发布科学”、“高级深河外星系调查”、“下一代深河外星系探索公开”以及 “红色未知：明亮红外河外星系调查”的数据，构建了一个“小红点”星系大样本。

（图片来源：美国航空航天局，欧洲航天局，加拿大航天局，空间望远镜研究所，戴尔·科切夫斯基（科比学院））

对于这项小红点研究来说，特别重要的正是来自一个叫做 “红宝石”（红色未知：明亮红外河外星系调查）的项目数据。这些数据提供证据显示，大约 70% 的样本星系中，存在以每小时 200 万英里（每秒 1,000 公里）的速度旋转的气体。这是一个明显的迹象，表明扁平气体尘埃云的存在，该云被称为吸积盘。吸积盘为位于一种叫做活跃星系核的中央星系区域中的一个超大质量黑洞提供能量。小红点星系的红色，部分归因于一种称为“红移”的现象。当来自遥远星系的光线向地球传播时，宇宙的膨胀会拉长光线的波长，同时降低其频率，从而产生红移现象。

一副插图显示不同距离光源的红移，因此也表示光源处于宇宙中的不同时间。（图片来源：暗能量探测合作项目）

这会使得光线向电磁波谱的“红端”移动。光线传播的时间越长，红移效应就越极端。因此，古老的星系被称为“高红移星系”。

在旅行了数十亿年后，光会移动到近红外或红外波长，而这正是詹姆斯.韦伯太空望远镜所设计的观测波长。

“对我来说，最令人兴奋的是红移的分布。这些真正红色的高红移源，在大爆炸后的某个时刻基本上停止存在了，”团队成员、德克萨斯大学奥斯汀分校研究员史蒂芬.芬克尔斯泰因说。 “如果它们正在形成黑洞，我们认为其中至少 70% 都是如此。这暗示早期宇宙中存在着一个不明黑洞生长的时代。”

得益于超大质量黑洞的供养，宇宙学得以完善

自从詹姆斯.韦伯太空望远镜开始探测这些古老的小红点以来，您可能已经读到过一些标题，表示“宇宙学被打破了”。这正是科学家们一直感到困惑的问题，即这个 138 亿年的宇宙在不超过其当前年龄的 12% 时，其中的早期星系是如何发展到包含足够大的恒星群，从而泵出如此多的光。而当前这一发现，则可能有助于解释这一谜题。

艺术家描绘的超大质量黑洞发射出高能粒子流。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院）

活跃星系核非常明亮，这是因为超大质量黑洞的巨大引力作用（这些黑洞的质量相当于数百万或数十亿颗太阳），在吸积盘中产生了湍流。因此，这些星系发出的大部分光线，可能来自于以吸积黑洞为动力的活跃星系核，而并不是来自之前以为的所谓恒星。这意味着小红星系中的恒星数量不必高得惊人才能解释它们的亮度。“这真是解决宇宙破裂问题的方法，”团队成员、德克萨斯大学奥斯汀分校科学家安东尼·泰勒说。

一幅插图显示活跃星系中心的超大质量黑洞和活跃星系核的结构（图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室）

然而，这并不意味着关于小红点的所有问题都得到了解决。一个仍然存在的谜题是，在当前宇宙中，还没有发现类似这些小红点的红移较小的星系。一种可能的解释是，星系是“由内而外”生长的，即星系内的恒星形成是从其中心蔓延到其外围。这意味着随着星系的老化，恒星的超新星死亡在中心吸积超大质量黑洞附近沉积的气体越来越少。从而随着时间的推移，活跃星系核被周围密集的气体和尘埃遮蔽的程度会降低。随着黑洞破茧而出，它同时发射出强大的等离子体射流，将物质推开。这使得星系在蓝色波长中变得更亮，在红色波长中变得更暗，从而失去小红点的地位。古老星系在高能 X 射线中显得很暗的事实，也支持了活跃星系核被遮蔽是小红点形成的原因这一观点。而当吸积超大质量黑洞靠近在 X 射线中很亮的银河系时，情况就不同了。这可能是由于稠密的气体尘埃云擅长吸收 X 射线，从而阻碍了这种高能光的发射。因此，如果缺乏从小红点发出的X 射线，则可能表明黑洞正被密集的气体云笼罩着。