詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）在投入使用的第一年裡就有了一個最出人意料的發現： 遙遠宇宙中大量微弱的小紅點可能會改變我們對超大質量黑洞成因的認識。這項研究由奧地利科學與技術研究所（ISTA）天文物理學助理教授喬里特-馬特希（Jorryt Matthee）領導，現已發表在《天文物理學報》（The Astrophysical Journal）。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）在服役的第一年裡，在我們夜空的一個極小區域裡發現了一堆小紅點，這可能是個意想不到的突破。透過老式哈伯太空望遠鏡的”眼睛”，這些天體與普通星系無法區分。

“JWST並不是為這一特定目的而開發的，但它幫助我們確定了在宇宙遙遠的過去發現的微弱的小紅點是質量極大的黑洞的小型版本。這些特殊的天體可能會改變我們對黑洞起源的看法，”該研究的第一作者、奧地利科學技術研究所（ISTA）助理教授喬瑞特-馬特希（Jorryt Matthee）說。

“目前的發現可能會讓我們離解答天文學中最大的難題之一更近一步： 根據目前的模型，早期宇宙中的一些超大質量黑洞只是生長得’太快’了。那麼它們是如何形成的呢？”

巨型類星體和小紅點。NASA/ESA/CSA 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）NIRCam拍攝的發光類星體J1148+5251的照片，這是一個極其罕見的100億太陽質量的活躍超大質量黑洞。類星體的光是橘色的星狀光源，有六個清晰的繞射尖峰，是在130 億年前發出的。年輕宇宙中存在著如此巨大的黑洞，對黑洞和星系形成理論提出了重要挑戰。同時，影像也捕捉了小的點狀紅色物體，即所謂的小紅點。幾乎每一張JWST 的深空影像中都會出現幾個這樣的天體。與類星體J1148+5251 一樣，這些天體發出的光（在這些情況下是125 億年前發出的）也是由超大質量黑洞驅動的。不過，這些黑洞的質量要低一百到一千倍，而且被塵埃嚴重遮擋（使其呈現紅色）。這些小紅點可能代表了處於類星體發光階段之前的演化階段的星系，因此有助於研究人員了解超大質量黑洞在遙遠星系中的形成和作用。

該影像是EIGER 專案的一部分。資料來源：NASA、ESA、CSA、J. Matthee（ISTA）、R. Mackenzie（蘇黎世聯邦理工學院）、D. Kashino（日本國家天文台）、S. Lilly（蘇黎世聯邦理工學院）

宇宙的不歸點

長期以來，科學家一直認為黑洞是一種數學奇觀，直到它們的存在變得越來越明顯。這些奇特的宇宙無底洞可能具有如此緊湊的質量和強大的引力，以至於任何東西都無法逃脫它們的吸引力–它們吸進任何東西，包括宇宙塵埃、行星和恆星，並使其周圍的空間和時間發生變形，以至於連光都無法逃脫。

愛因斯坦一個多世紀前發表的廣義相對論預言，黑洞可以有任何質量。其中一些最引人入勝的黑洞是超大質量黑洞（SMBHs），它們的質量可以達到太陽質量的數百萬到數十億倍。天文物理學家一致認為，幾乎每個大星系的中心都有一個超大質量黑洞。人馬座A* 是銀河系中心的一個SMBH，其質量是太陽的400 多萬倍，這一證據獲得了2020 年諾貝爾物理學獎。

質量太大，不可能存在

然而，並非所有的SMBH 都是一樣的。人馬座A* 可以比喻為一座沉睡的火山，而有些SMBH 則透過吞噬天文數字級的物質而極速增長。因此，它們變得非常明亮，直到不斷膨脹的宇宙邊緣都能觀測到它們。這些SMBH 被稱為類星體，是宇宙中最亮的天體之一。

“類星體的一個問題是它們中的一些似乎質量過大，從觀測類星體的宇宙年齡來看質量太大。我們稱它們為’問題類星體’，”Matthee說。”如果我們考慮到類星體起源於大質量恆星的爆炸–而且我們從一般物理定律中知道了它們的最大增長速度，那麼其中一些類星體的增長速度看起來超過了可能的範圍。這就好比一個五歲的孩子長到了兩公尺高。」他解釋。

SMBH的生長速度可能比我們原先想的還要快嗎？還是它們的形成方式不同？

Jorryt Matthee，奧地利科技研究所（ISTA）助理教授

巨型宇宙怪獸的小型版本

現在，Matthee 和他的同事們確定了在JWST 影像中以小紅點形式出現的天體群。同時，他們也證明這些天體是SMBH，但不是質量過大的SMBH。確定這些天體是SMBH的關鍵在於偵測到了具有寬線剖面的Hα光譜發射線。Hα 線是可見光深紅色區域的光譜線，是氫原子受熱時發出的。光譜的寬度可追蹤氣體的移動。

“Hα線的基底越寬，氣體的速度就越高。因此，這些光譜告訴我們，我們看到的是一個非常小的氣體雲，它的運動速度非常快，並圍繞著像SMBH 這樣質量非常大的東西運行，”Matthee 說。

然而，這些小紅點並不是超大質量SMBH 中發現的巨大宇宙怪獸。”‘問題類星體’是藍色的，非常明亮，質量是太陽的數十億倍，而小紅點更像是’類星體寶寶’。它們的質量介於一千萬到一億個太陽質量之間。此外，它們呈現紅色是因為它們佈滿了塵埃。灰塵遮住了黑洞，使顏色變紅，」Matthee 說。

但最終，從黑洞流出的氣體將刺破塵繭，巨行星將從這些小紅點演化出來。因此，這位ISTA 天文物理學家和他的團隊認為，這些小紅點是巨型藍色SMBH 的紅色小版本，處於問題類星體出現之前的階段。”更詳細地研究超大品質SMBH的嬰兒版，將讓我們更了解問題類星體是如何存在的。”

一項”突破性”技術

Matthee和他的團隊之所以能找到嬰兒類星體，要歸功於EIGER（再電離紀元中的發射線星系和星系間氣體）和FRESCO（第一再電離紀元光譜完整觀測）合作項目所獲得的資料集。這些都是Matthee參與的一個大型和一個中型JWST 計劃。去年12月，《物理世界》雜誌將EIGER列為2023年年度十大突破之一。

“EIGER旨在專門研究罕見的藍色超大質量類星體及其環境。它並不是為了尋找小紅點而設計的。但我們在同一個資料集中偶然發現了它們。這是因為，透過使用JWST 的近紅外線相機，EIGER 獲得了宇宙中所有天體的發射光譜，”Matthee 說。”如果你豎起食指並完全伸直手臂，我們探索的夜空區域大約相當於你指甲表面的二十分之一。到目前為止，我們可能只觸及了表面。”

Matthee相信，目前的研究將開闢許多途徑，並有助於回答一些有關宇宙的重大問題。”黑洞和SMBH 可能是宇宙中最有趣的東西。很難解釋為什麼它們存在，但它們確實存在。我們希望這項工作能幫助我們揭開宇宙最大的神秘面紗之一。

編譯自/ scitechdaily