詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)在其服务的第一年就有了一个最意想不到的发现:遥远宇宙中大量微弱的小红点可能会改变我们对超大质量黑洞起源的理解。这项研究由奥地利科学技术研究所(ISTA)天体物理学助理教授Jorryt Matthee领导，现已发表在《天体物理学杂志》上。

　　对于詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)来说，在其服务的第一年，在我们夜空的一小块区域发现的一堆小红点可能是一个意想不到的突破。通过哈勃太空望远镜的“眼睛”，这些天体与正常星系无法区分。“虽然没有为这个特定目的而开发，但JWST帮助我们确定了在宇宙遥远的过去发现的微弱的小红点是超大质量黑洞的小版本。”这些特殊的物体可能会改变我们对黑洞起源的看法，”奥地利科学技术研究所(ISTA)助理教授、该研究的主要作者Jorryt Matthee说。“目前的发现可以让我们更接近于回答天文学中最大的困境之一:根据目前的模型，早期宇宙中的一些超大质量黑洞只是增长得‘太快’了。”那它们是怎么形成的呢?”

　　宇宙的不归路

　　长期以来，科学家们一直认为黑洞是数学上的奇点，直到它们的存在变得越来越明显。这些奇怪的宇宙无底洞可能拥有如此致密的质量和强大的引力，以至于没有任何东西能逃脱它们的引力——它们会吸进任何东西，包括宇宙尘埃、行星和恒星，并使它们周围的空间和时间变形，以至于连光都无法逃脱。阿尔伯特·爱因斯坦在一个多世纪前发表的广义相对论预言，黑洞可以有任何质量。一些最有趣的黑洞是超大质量黑洞(SMBHs)，它们的质量可能达到太阳的数百万到数十亿倍。天体物理学家一致认为，几乎每个大星系的中心都有一个SMBH。证明人马座A*是银河系中心的一个超大质量黑洞，质量是太阳的400多万倍，获得了2020年诺贝尔物理学奖。

　　太大了，不可能在那里

　　然而，并非所有的中小黑洞都是一样的。虽然人马座A*可以比作一座沉睡的火山，但一些SMBHs通过吞噬天文数字数量的物质而极其迅速地增长。因此，它们变得如此明亮，直到不断膨胀的宇宙的边缘才可以被观察到。这些SMBHs被称为类星体，是宇宙中最亮的物体之一。“类星体的一个问题是，它们中的一些似乎质量过大，考虑到类星体被观测到的宇宙的年龄，它们的质量太大了。我们称它们为‘有问题的类星体’，”马修说。“如果我们认为类星体起源于大质量恒星的爆炸，并且我们根据一般物理定律知道它们的最大生长速度，那么其中一些类星体看起来比可能的生长速度要快。这就像看着一个五岁的孩子有两米高。有些事情说不通，”他解释道。SMBHs的增长速度是否会比我们原先想象的还要快?还是它们的形成方式不同?

　　巨型宇宙怪物的小版本

　　现在，Matthee和他的同事们在JWST的图像中发现了一群小红点。此外，他们还证明了这些物体是SMBHs，但不是超大质量的。确定这些物体是SMBHs的核心是检测到具有宽谱线轮廓的Hα光谱发射线。氢α线是可见光中深红色区域的光谱线，当氢原子被加热时发出。光谱的宽度反映了气体的运动。Hα谱线的基底越宽，气速越高。因此，这些光谱告诉我们，我们正在观察一个非常小的气体云，它移动得非常快，绕着像SMBH这样的巨大物体运行，”Matthee说。然而，这些小红点并不是超大质量SMBHs中发现的巨型宇宙怪物。“虽然‘有问题的类星体’是蓝色的，非常明亮，质量是太阳的数十亿倍，但小红点更像是‘婴儿类星体’。”它们的质量在一千万到一亿个太阳质量之间。而且，它们呈现红色是因为它们布满了灰尘。尘埃掩盖了黑洞，使颜色变红，”马修说。但最终，从黑洞流出的气体会刺破尘埃茧，巨星将从这些小红点进化而来。因此，ISTA天体物理学家和他的团队认为，这些小红点是巨大的蓝色SMBHs的小红色版本，处于比有问题的类星体更早的阶段。“更详细地研究超大质量SMBHs的婴儿版本将使我们更好地了解有问题的类星体是如何存在的。”

　　一项“突破性”技术

　　Matthee和他的团队能够找到这些小类星体，要归功于EIGER(再电离时代的发射线星系和星系间气体)和FRESCO(第一次再电离时代光谱完整观测)合作项目获得的数据集。这是马修参与的一个大型和中型JWST项目。去年12月，《物理世界》杂志将EIGER列为2023年的十大突破之一。“EIGER是专门用来研究罕见的蓝色超大质量类星体及其环境的。它不是用来寻找小红点的。但我们在同一个数据集中偶然发现了它们。这是因为，通过使用JWST的近红外相机，EIGER获得了宇宙中所有物体的发射光谱，”Matthee说。“如果你抬起食指并完全伸出手臂，我们探索的夜空区域大约相当于指甲表面的二十分之一。到目前为止，我们可能只触及了表面。”

　　马修相信，目前的研究将开辟许多途径，并帮助回答一些关于宇宙的重大问题。“黑洞和SMBHs可能是宇宙中最有趣的东西。很难解释它们为什么在那里，但它们确实在那里。我们希望这项工作将帮助我们揭开宇宙最大的神秘面纱之一，”他总结道。