IT之家5月31日消息，詹姆斯?韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到一類(lèi)被稱(chēng)作“小紅點(diǎn)”的遠(yuǎn)古星系，這或許終于能解答一個(gè)謎題：黑洞和它所在的星系，究竟誰(shuí)先誕生？研究結(jié)果出乎科學(xué)家的預(yù)料，也徹底顛覆了人類(lèi)對(duì)黑洞演化機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知。

韋布望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)遠(yuǎn)古小紅點(diǎn)星系

美國(guó)國(guó)家航空航天局詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)拍攝的一張圖像展示了小紅點(diǎn)阿貝爾2744-QSO1，它被星系團(tuán)阿貝爾2744（潘多拉星團(tuán)）放大并形成了三重影像

“小紅點(diǎn)”最早于2022年由韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。天文學(xué)家隨即意識(shí)到，這是一種前所未見(jiàn)的全新天體，或許是一類(lèi)人類(lèi)從未觀測(cè)到的星系。隨著研究深入，這類(lèi)天體的神秘色彩愈發(fā)濃厚：它們?cè)谟钪嬖缙谑制毡椋谟钪娲蟊òl(fā)生約15億年后，便逐漸銷(xiāo)聲匿跡。而“小紅點(diǎn)”也并非韋布望遠(yuǎn)鏡帶給科學(xué)界的唯一宇宙謎題。

這臺(tái)造價(jià)高達(dá)100億美元（IT之家注：現(xiàn)匯率約合678.67億元人民幣）的空間望遠(yuǎn)鏡，還發(fā)現(xiàn)了大量超大質(zhì)量黑洞。在宇宙誕生尚不足10億年時(shí)，這些黑洞的質(zhì)量就已達(dá)到太陽(yáng)的數(shù)百萬(wàn)乃至數(shù)十億倍。這一現(xiàn)象令學(xué)界難以解釋?zhuān)喊凑找酝碚?，黑洞要通過(guò)吞噬物質(zhì)、不斷合并成長(zhǎng)為超大質(zhì)量黑洞，所需時(shí)間遠(yuǎn)不止10億年。

此次針對(duì)“小紅點(diǎn)”的全新研究提出了一種新觀點(diǎn)：早期的超大質(zhì)量黑洞或許并非由大質(zhì)量恒星演化數(shù)百萬(wàn)年后坍縮形成的恒星級(jí)黑洞逐步壯大而來(lái)，而是直接誕生的。這也意味著，這類(lèi)遠(yuǎn)古超大質(zhì)量黑洞無(wú)需不斷吞噬宿主星系中的大量氣體與塵埃來(lái)增長(zhǎng)體量。由此可以推斷，黑洞的形成時(shí)間早于最終包裹它的星系。

英國(guó)劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員羅伯托?邁奧利諾在一份聲明中表示：“這是一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。它顛覆了傳統(tǒng)理論，讓我們必須重新審視黑洞的形成與演化模型?！痹搱F(tuán)隊(duì)的相關(guān)研究成果已于5月27日發(fā)表在《自然》期刊與《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上。

借助愛(ài)因斯坦理論，“小紅點(diǎn)”揭開(kāi)黑洞身世之謎

為得出結(jié)論，科學(xué)家重點(diǎn)研究了編號(hào)為阿貝爾2744類(lèi)星體1（QSO1）的“小紅點(diǎn)”。該天體存在于宇宙大爆炸后僅7億年的時(shí)期，這個(gè)遠(yuǎn)古星系直徑僅有1300光年，它發(fā)出的光線歷經(jīng)130多億年，才抵達(dá)地球。

得益于引力透鏡效應(yīng)，QSO1比其他“小紅點(diǎn)”更便于觀測(cè)研究。

引力透鏡效應(yīng)由愛(ài)因斯坦在1915年率先提出：當(dāng)一個(gè)大質(zhì)量天體位于地球與更遙遠(yuǎn)的背景天體之間時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象。光線途經(jīng)這個(gè)充當(dāng)“透鏡”的大質(zhì)量天體時(shí)，會(huì)因時(shí)空扭曲發(fā)生偏折；光線越靠近該天體，偏折程度就越大。背景天體的光線會(huì)以不同時(shí)長(zhǎng)抵達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)天體影像也會(huì)被放大。

QSO1恰好被星系團(tuán)阿貝爾2744（又名潘多拉星系團(tuán)）產(chǎn)生的引力透鏡效應(yīng)放大。

美國(guó)國(guó)家航空航天局詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡的近紅外相機(jī)拍攝的圖像細(xì)節(jié)展示了“小紅點(diǎn)”阿貝爾2744-QSO

研究人員最初推測(cè)，QSO1本質(zhì)是一個(gè)質(zhì)量達(dá)太陽(yáng)4000萬(wàn)倍的超大質(zhì)量黑洞，外圍包裹著氫、氦氣體云。但當(dāng)時(shí)，科學(xué)界始終無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)定這個(gè)黑洞的真實(shí)質(zhì)量。

同為劍橋大學(xué)的團(tuán)隊(duì)成員弗朗切斯科?德歐杰尼奧解釋道：“在此之前，人類(lèi)對(duì)早期宇宙黑洞的質(zhì)量測(cè)算全是間接推算，依據(jù)的是鄰近宇宙中黑洞的現(xiàn)有規(guī)律。我們無(wú)法確定，這些規(guī)律是否同樣適用于遙遠(yuǎn)的早期宇宙。”

研究團(tuán)隊(duì)提出猜想：如果QSO1中心黑洞的質(zhì)量與最初測(cè)算結(jié)果一致，那么黑洞的引力必然會(huì)影響周?chē)鷼怏w的運(yùn)動(dòng)軌跡。為此，團(tuán)隊(duì)利用韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜儀，追蹤氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這些氣體圍繞中心點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律和太陽(yáng)系行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)如出一轍，這便是開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)聯(lián)合負(fù)責(zé)人、劍橋大學(xué)的伊格納斯?尤奧德扎巴利斯表示：“這一現(xiàn)象足以證明，QSO1的絕大部分質(zhì)量都集中在中心黑洞上。如果天體以恒星為主、質(zhì)量分布相對(duì)分散，外圍氣體就不會(huì)呈現(xiàn)出如此標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)普勒旋轉(zhuǎn)特征。”

借助這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)首次完成了對(duì) QSO1中心黑洞質(zhì)量的直接測(cè)算。

邁奧利諾評(píng)價(jià)：“這是一項(xiàng)極具突破性的成果。人類(lèi)首次直接測(cè)出宇宙誕生10億年內(nèi)黑洞的質(zhì)量，且實(shí)測(cè)結(jié)果與此前間接推算的數(shù)據(jù)相吻合?！?/p>

測(cè)算結(jié)果顯示，該超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量相當(dāng)于5000萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，其質(zhì)量占整個(gè)“小紅點(diǎn)”天體總質(zhì)量的66%。這一比例，比鄰近宇宙中黑洞與宿主星系的質(zhì)量比值高出數(shù)千倍。

黑洞早于星系誕生

這一數(shù)據(jù)也印證：該黑洞不可能由恒星坍縮形成，也并非依靠不斷吞噬周邊星系物質(zhì)慢慢壯大。它自誕生起就是巨型黑洞，而后星系物質(zhì)才逐漸在其周?chē)奂?、慢慢演化成型?/strong>

目前，QSO1中心黑洞仍存有諸多未解之謎，其具體形成機(jī)制更是核心疑點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)推測(cè)，它可能由一團(tuán)巨型氣體塵埃云坍縮形成的“重黑洞種子”演化而來(lái)；也有可能是在宇宙大爆炸的最初階段，通過(guò)某種人類(lèi)尚未知曉的過(guò)程直接誕生。

研究團(tuán)隊(duì)基本可以確定，在早期宇宙的“小紅點(diǎn)”族群中，像 QSO1這樣的天體并非個(gè)例。目前，科學(xué)家正在觀測(cè)其他“小紅點(diǎn)”，驗(yàn)證它們是否也都擁有巨型黑洞，且星系正處于圍繞黑洞逐步形成的階段。