寻找小红点星系背后的秘密

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 太空探索|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 视频天象

翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2024-09-hidden-compact-galaxies-distant-universe.html

特大质量黑洞通过吸收周边的物质来成长。

图源：M. Kornmesser/ESO

天文学家使用韦布太空望远镜（美国国家航空航天局最强大的望远镜）探索遥远的宇宙时，发现了这样一种星系：它们有着媲美拟态章鱼的能力。拟态章鱼是最擅长模仿的生物，它们可以伪装成其他海洋动物来躲避捕食者。化身比目鱼？没问题。扮演海蛇？轻而易举。

当天文学家分析韦布望远镜拍摄的第一批宇宙遥远地区的图像时，他们发现了一群从未见过的星系。这些星系有几百个，被称为 “小红点”（the Little Red Dots），颜色很红，体形紧凑，只能在大约10亿年间的宇宙历史中见到。小红点就像拟态章鱼，它们让天文学家困惑，因为它们看上去像是不同的天体。它们有的是质量巨大的星系，有的是大小适中的星系，每个星系的核都含有一个特大质量黑洞（supermassive black hole）。

但是，有一点可以肯定。典型的小红点很小，半径只有银河系的2%，有些还要更小。

作为一名研究遥远星系和黑洞的天体物理学家，我很想了解这些小星系的本质。是什么让它们发光，它们到底是什么东西？

宇宙中有无数的星系，韦布望远镜帮助天文学家研究了一部分。图源：NASA、ESA、CSA、STScI

韦布宇宙演化早期发布科学巡天（CEERS）勘测结果的合成图片，其中含有六个小红点。

图源：NASA/STScI/CEERS/TACC/S.Finkelstein/M.Bagley/Z. Levay; NASA/ESA/CSA/I. Labbe

伪装大赛

天文学家通过分析望远镜从遥远星系接收的光线来评估它们的物理特性，比如它们所包含的恒星数量。我们可以利用小红点的光的特性来研究它们，来看看它们是许多许多的恒星、还是其中有一个黑洞。

到达地球上望远镜的光线的波长范围很广，从长波射电到高能伽马射线都有。天文学家将光分解成不同的频率，并用一个叫做光谱的图表将其形象化。

有时光谱中会包含发射线，它们代表发生了更强烈的光发射的频率范围。这时，我们可以利用光谱的形状来预测星系中是否藏有一个特大质量黑洞，并估算它的质量。

同样，研究来自星系的X射线也能揭示特大质量黑洞的存在。

作为最强伪装大师，小红点会呈现为不同的天体，呈现结果取决于天文学家选择的是用X射线、发射线还是其他方式来研究它们。

迄今为止从小红点的光谱和发射线中收集到的信息引出了两种完全不同的模型来解释这些天体的性质。它们要么是含有数十亿颗恒星的密度极高的星系，要么就是有一个特大质量黑洞。

两个假说

在纯恒星假说中，小红点包含巨量的恒星，最多可达1000亿颗。这与银河系中的恒星数量大致相同，而银河系比小红点大得多了。

想象一个又大又空的房间里只有你一个人。这个空旷、安静的空间就像太阳系附近恒星稀少的宇宙空间。然后，想象全中国的人口都挤到这个房间里。（春运！？）

这个挤爆的房间就会是密度最大的小红点的中心的感觉。这些天体可能是整个宇宙中密度最大的恒星环境。天文学家甚至不能确定这样的恒星系统可以真的存在。

其次是黑洞假说。大多数小红点星系都有明显的迹象显示其中心存在一个特大质量黑洞。天文学家可以通过观察光谱中的大型发射线来判断星系中是否存在黑洞，这些发射线是由黑洞周围高速旋转的气体产生的。

天文学家确实感到这些黑洞与其紧凑的宿主星系相比质量太大了。

黑洞的质量通常是宿主星系恒星质量的大概0.1%。但是在某些小红点当中，其黑洞的质量几乎和整个星系差不多。天文学家称这些黑洞为超大质量黑洞（overmassive black holes），因为它们的存在打破了通常在星系中观测到的常规质量比。

詹姆斯·韦布太空望远镜在遥远宇宙中发现超大质量黑洞。图源：Timothy Rauch

还有一个问题。与普通黑洞不同，小红点中可能存在的黑洞没有显示出任何X射线辐射的迹象。就是在目前最深的高能图像中，天文学家本来也是应该能够轻易地观测到这些黑洞的，但却没有。

办法有限，希望很多

那这些奇怪的天体是不是挤满了太多恒星的大质量星系呢？还是中心有个特大质量黑洞、黑洞质量大得不行，还不怎么辐射X射线？令人困惑。

经过更多的观测和理论建模，天文学家开始提出一些可能的解释。也许小红点只是由恒星组成的，但这些恒星的密度和结构非常的紧凑，其发射线模拟了通常从黑洞中看到的发射线。

或者，特大质量黑洞——甚至超大质量黑洞——潜伏在这些小红点的核。在这种情况下，有两种模型可以解释为什么没有X射线发射。

首先，大量的气体可能漂浮在黑洞周围，可能会挡住黑洞中心发出的一部分高能辐射。其次，黑洞吸入气体的速度可能比平时快得多，这个过程可能会产生另一种含有较少X射线的光谱。

聚集在两个特大质量黑洞上的气体温度的图像表示。黑洞位于图像中心。最热的区域更红，温度高达约1.8亿华氏度。左边的黑洞被较冷的气体包围，它产生的X射线要少得多。图源：Fabio Pacucci & Ramesh Narayan, 2024

黑洞太大，或者叫“超大”（overmassive），可能并不耽误我们理解宇宙，而且刚好能告诉我们宇宙中第一批黑洞是怎么诞生的。事实上，如果有史以来形成的第一批黑洞质量非常大——约为太阳质量的10万倍，那么理论模型表明，它们的黑洞质量与宿主星系质量比可能会在形成后的很长一段时间内保持较高的水平。

那么，天文学家如何才能揭开这些从时间的起点就在放光的小点点的真实面目呢？就像观察我们的伪装大师——拟态章鱼那样，秘诀就是：观察它们的行为。

利用韦布望远镜和更强大的X射线望远镜进行更多的观测，迟早会找到一个能让天文学家归因于两个假说之一的因素。

比如，如果天文学家确实探测到黑洞周围发出的X射线或无线电辐射或红外光，他们就会知道黑洞假说是正确的。

就像我们的海中好友拟态章鱼，它虽然可以伪装成海星，但最终还是会移动触角，露出自己的真面目。

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

塔特拉山脉的夜空

斯洛伐克和波兰之间的自然边界是塔特拉山脉。 塔特拉山脉是喀尔巴阡山脉最高的山脉，是天体摄影师的著名目的地。 在5月份拍摄的特色图像中，人们可以看到我们银河系的中心，其两个著名的恒星苗圃，泻湖和欧米茄星云，就在塔特拉山脉的顶部。 恒星苗圃充满了电离氢，这是形成地球丰富水的基本成分。 作为所有已知生命形式的基本成分，水是宇宙中的关键元素。 这种水可以在前景中以比尔卡河的形式出现。

图片版权所有：图片来源：Marcin Rosadzi？ski；文字：Natalia Lewandowska(纽约州立大学奥斯威戈分校)

谢谢阅读