韦伯望远镜发现最早“黑洞星”：宇宙黎明的奇迹还是幻影？

引言：宇宙黎明的新谜题

自詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）投入观测以来，天文学家在宇宙深空数据中发现了一类神秘的天体——被称为“小红点”（Little Red Dots）。这些天体在图像中呈现为微小的红色斑点，其能量来源一直困扰着科学界。如今，一项发表于《自然》杂志的研究可能揭开了谜底：一种名为“黑洞星”（black hole star）的全新天体类型，或许正是这些小红点的核心引擎。

由奥地利科学技术研究所（ISTA）的Jorryt Matthee助理教授与夏威夷大学天文学研究所的Rohan Naidu助理教授领导的国际团队，通过“幻影还是奇迹”（Mirage or Miracle）巡天项目，利用JWST发现了迄今最早的黑洞星——MoM-BH*-1。该天体发出的光在宇宙中穿行了130亿年，抵达地球时已是大爆炸后仅6.6亿年的信号。这一发现不仅为理解早期宇宙中超大质量黑洞的快速形成提供了关键线索，也可能彻底改变我们对星系演化的认知。

发现过程：从“问题类星体”到黑洞星

超大质量黑洞（质量可达太阳的百万至数十亿倍）潜伏在大多数大型星系中心，它们通过吸积物质释放巨大能量，形成类星体。然而，早期宇宙中一些类星体的质量似乎过大，以至于无法用标准模型解释——它们被称为“问题类星体”。Matthee教授指出：“直到现在，我们对超大质量黑洞如何形成知之甚少。早期宇宙中的一些类星体看起来过于巨大，这促使天文学家称它们为‘问题类星体’。”

为了探索这些谜团，Naidu和Matthee领导的团队设计了“幻影还是奇迹”巡天项目，专门瞄准那些“高风险”目标——它们要么是惊人的发现，要么只是干扰源（如看起来像遥远星系的寒冷恒星）。该巡天此前已确认了最遥远的星系MoM-z14。而MoM-BH*-1的发现，则源于对JWST光谱数据的细致分析。

研究团队在数据中注意到一个异常天体：它同时展现出超大质量黑洞的特征和恒星特有的光谱特征。特别是，其光谱中存在一个极强的“巴尔默跳跃”（Balmer break）——这是恒星外层气体吸收特定波长光产生的特征。在MoM-BH*-1中，这一跳跃的强度是普通恒星的数倍，甚至超过了已知的星暴星系和尘埃无恒星群体。Naidu解释道：“我们检测到的光谱是气体斗篷正在喂养早期黑洞的最佳证据。鉴于其光谱特征，并呼应巡天名称，我们将其命名为MoM-BH*-1。”

特征分析：气体包裹的“恒星状黑洞”

黑洞星的概念并非全新，但MoM-BH*-1提供了首个清晰的观测实例。与通常认为的“黑洞被尘埃遮蔽”不同，MoM-BH*-1被一层极其致密、湍动的气体包裹，这层气体不含尘埃，却能将光线散射至红色波段——类似于日落时天空变红的原理。这种气体包层使得黑洞看起来像一颗恒星：它产生强烈的巴尔默跳跃，同时整体辐射呈红色。

研究团队通过建模发现，MoM-BH*-1是一个处于演化早期阶段的“微型”超大质量黑洞，其质量约为太阳的数十万倍，但被一个直径超过1000天文单位（约150亿公里）的致密气体壳层包围。这种结构允许黑洞通过“超爱丁顿吸积”快速成长——即吸积速率超过标准爱丁顿极限，从而在短时间内积累巨大质量。Naidu表示：“理论模型早已预测，嵌入致密气体中的早期黑洞可以通过超爱丁顿吸积快速成长。MoM-BH*-1正是这一过程的首个直接证据。”

值得注意的是，MoM-BH*-1附近存在一个更明亮的星系，模型显示两者将在约1亿年后合并。当研究团队将两个天体的光谱叠加时，发现合成光谱与小红点的特征惊人相似。Matthee指出：“如果嵌入类似的宿主星系中，像MoM-BH*-1这样的黑洞星很可能就是婴儿类星体的核心引擎。将黑洞星作为小红点中黑洞成分的模板，有助于澄清许多关于它们的疑问。”

与小红点的关联：解开50年谜题

自2024年Matthee团队首次在JWST数据中发现数百个小红点以来，这些天体一直令天文学家困惑。它们呈现红色，但光谱中缺乏明显的发射线，难以区分来自中心天体和宿主星系的光。MoM-BH*-1的独特之处在于，它几乎贡献了所有观测到的光，宿主星系的光几乎可以忽略。这为研究小红点的本质提供了前所未有的视角。

此前，天文学家认为小红点的红色可能源于尘埃遮蔽，但MoM-BH*-1的案例表明，气体散射同样可以产生红色外观。这一发现颠覆了传统认知。Matthee说：“过去两三年里，关于小红点的论文和预印本已近千篇。现在，黑洞星成为最有力的解释，为解开这个持续50年的超大质量黑洞起源之谜铺平了道路。”

宇宙正午的同类天体

2025年3月20日，MoM-BH*-1的发现与另一个被称为“悬崖”（The Cliff）的黑洞星同时在arXiv预印本服务器上公布。后者位于“宇宙正午”时期——即大爆炸后20至30亿年，恒星形成和星系增长的高峰期。两个独立发现帮助科学界确认了这是一类全新的天体。

随后，ISTA的博士后Alberto Torralba与Matthee等人在《天体物理杂志快报》上描述了另一个位于宇宙正午的黑洞星。这些观测表明，黑洞星在更晚的宇宙时期也存在，尽管可能更为罕见。由于距离更近，这些天体允许使用地面望远镜（如欧洲南方天文台的甚大望远镜）进行更精确的测量，为《自然》论文提供了补充数据。

科学意义与未来展望

黑洞星的发现对现有超大质量黑洞演化模型提出了挑战。Matthee强调：“这些发现凸显了重新审视现有模型并开发新模型的必要性，以更好地匹配观测结果。”研究团队计划利用黑洞星的光谱作为模板，指导未来的搜索工作。JWST的后续观测将聚焦于更多小红点，以验证它们是否普遍由黑洞星驱动。

Naidu总结道：“天文学家从不缺乏想象力：自从发现类星体以来，关于黑洞如何快速成长的理论层出不穷。早期宇宙中一定发生了某种壮观的事件。现在，借助JWST，我们可以直接观测这个时代，亲眼目睹哪些情景真实发生。”Matthee则补充说：“这远非幻影，很可能是一个宇宙奇迹。”

这一发现不仅深化了我们对黑洞形成机制的理解，也为研究星系与黑洞的共同演化提供了新窗口。随着JWST持续扫描宇宙黎明，更多黑洞星有望被发现，最终揭示早期宇宙中那些“不可能”的类星体背后的真正驱动力。

原标题：Mirage or miracle? JWST finds earliest known 'black hole star' at cosmic dawn。 来源：phys.org。

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