韦布观测的‘小红点’实为直接坍缩黑洞

‘小红点’或源于宇宙中的直接坍缩黑洞

詹姆斯韦布空间望远镜利用多项调查数据观测到的小红点（ LRDs ）图像。图片来源：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、太空望远镜科学研究所、戴尔科切夫斯基（科尔比学院）

詹姆 斯韦伯太空望远镜（ JWST ）旨在回溯过去，研究宇宙大爆炸后不久就已存在的星系。通过这样做，科学家们希望更好地了解宇宙是如何从最早的宇宙学时期演化到现在的。当韦伯首次将其先进的光学设备和仪器对准早期宇宙时，它发现了一类新的天体物理对象：被称为小红点（ LRDs ）的明亮红色天体。最初，天文学家假设它们可能是巨大的恒星形成区域，但这与已有的宇宙学模型不符。

本质上，这些模型预测，在大爆炸后不到十亿年的时间里，大质量星系不可能形成。这促使人们提出一种理论：它们可能是类星体 —— 即由超大质量黑洞（ SMBHs ）驱动 的星系明亮中心区域。这也对已有的模型提出了挑战，因为此前的理论认为超大质量黑洞也没有足够时间形成。近期一篇由哈佛大学领导的天文学家团队发表的论文表明， LRDs 的谜团可以通过将其识别为正在吸积物质的直接坍缩黑洞（ DCBHs ）来解释。

这项研究由法比奥帕库奇领导，他是哈佛大学哈佛史密森天体物理中心（ CfA ）和黑洞倡议（ BHI ）的在职天体物理学家。参与研究的还有意大利比萨高等师范学院的宇宙学教授安德里亚费拉拉，以及科尔比学院的物理学与天文学副教授戴尔 D 科切夫斯基。详细阐述他们研究结果的论文《小红点是直接坍缩黑 洞》近期已在线发表，目前正在接受《自然》期刊的发表评审。

艺术家笔下快速旋转的超大质量黑洞及其吸积盘的想象图。图片来源：欧洲南方天文台（ ESO ）欧洲航天局（ ESA ）哈勃太空望远镜 M。 科尔梅塞尔

他们的研究基于辐射流体动力学（ RHD ）模拟，这些模拟旨在建模直接坍缩黑洞（ DCBHs ）的辐射特性 —— 这类黑洞由冷气 体云直接 形成。这与传统模型不同，传统模型预测黑洞是由大质量恒星坍缩形成的。这些大质量恒星属于理论上的第三星族星，是宇宙中的第一批恒星，由氢和氦组成，几乎不含重元素（如金属）。

它们体积巨大，温度极 高且亮度极强，与更晚形成的恒星相比寿命非常短暂，其主序星阶段仅持续约 200 万至 500 万年。随着时间推移，这些黑洞会通过星系合并等机制与其他黑洞合并，形成大质量黑洞（ MBHs ）。然而，这一过程需要数十亿年才能完成，而非在大爆炸与这些星系出现之间的短短数亿年时间内。

正如 帕库奇通过 电子邮件向《今日宇宙》解释的那样，这就是标准模型与现代观测结果产生冲突的地方。

这种过程在邻近宇宙中运行良好，但要解释那些在宇宙仅数亿年历史时就出现的超大质量黑洞（有时质量超过太阳的 10 亿倍）却变得非常困难。简单来说，按照常规的增长速 率，恒星级黑洞似乎没有足够时间成长到数百万或数十亿倍太阳质量，这在理论与观测之间造成了矛盾。这个长期存在的问题正是 DCBH 理论发挥作用的地方：这些黑洞并非从微小开始，而是天生就具有大质量，提供了一个绕过上述时间瓶颈的自然捷径。

相比之下，理论认为直接坍缩黑洞（ DCBHs ）并非由第三族恒星的种子形成，而是在早期宇宙中直接从氢云坍缩而成。它们最初被提出是为了解决宇宙学标准模型与韦布望远镜观测到的高红移天体（ LRDs ）之间的差异。在他们的论文中， 帕库奇 及其同事测试了正在从周围环境中积极吸积物质的直接坍缩黑洞如何能 重现韦布望远镜在早期宇宙中观测到的现象。

这幅艺术想象图描绘了一颗类太阳恒星靠近一个快速旋转的超大质量黑洞（ SMBH ）的场景。图片来源：欧洲南方天文台（ ESO ）欧洲航天局（ ESA ）哈勃空间望远镜 M。 科尔梅塞

我们的辐射流体动力学模拟同时追踪气体是如何落入黑洞的，以及它产生的辐射如何影响周围环境， 帕库奇 说，这种相互作用自然会形成一个极其致密的环境，该环境会吸收高能辐射，并将其重新转化为紫外和可见光，这些光在红移成红外线后会被詹姆斯韦布空间望远镜（ JWST ）观测到。当我们把这些模拟转换为模拟观测结果时，它们 与 JWST 对 ‘ 小红点 ’ 的观测数据非常吻合，这表明 ‘ 小红点 ’ 的特性可以用宇宙早期已知的物理过程来解释。

他们发现，他们的模拟重现了低光度类星体（ LRDs ）的具体特征，包括其微弱的 X 射线辐射、金属和高电离谱线的存在、恒星形成特征的缺失、它们的数量丰度和红移演化，以及它们由辐射压驱动的长期可变阶段。同样，黑洞周围密集气体云的存在也解释了它们极其致密的性质，以及为什么相对于任何恒星成分而言，它们看起来质量过大。 帕库奇 说：

所有 LRD 令人困惑的特性都能在一个单一、自洽的框架内得到解释，无需任何特设假设。我们的模型之所 以特别强大，在于其简洁性 —— 它建立在数十年的理论研究基础之上，这些研究揭示了直接坍缩黑洞在宇宙时间尺度上的形成与演化过程。 JWST 的主要科学目标之一是识别首批黑洞并揭示它们的形成机制。 天文学家数十年来一直在寻找这些原始天体，但直接证据始终难以获得。我们的研究结果表明， JWST 能够观测到这一长期寻找的阶段：即大质量黑洞种子通过直接坍缩形成和成长的过程。这将是一项重大突破，表明最早的黑洞形成效率高且时间早，而 JWST 终于为观测它们的诞生打开了直接窗口。 （注： LRD 为原文缩写，未展开说明故保留； JWST 指 詹姆 斯韦伯太空望远镜）

几十年来，天文学家一直在寻找这些原始天体，但直接证据一直难以寻觅。我们的研究结果表明，詹姆斯韦布空间望远镜（ JWST ）正 见证着 人们长期以来苦苦追寻的这一阶段：大质量黑洞种子通过直接坍缩形成并增长。这将是一项重大突破，表明最早的黑洞高效且早期就已形成，也表明詹姆斯韦布空间望远镜终于为我们打开了直接观测黑洞诞生的窗口。

通过做出挑战最广泛接受的宇宙学模型的发现，韦伯望远镜精确地完成了它被设计的使命。虽然低红移类星体最初是一个让天文学家和宇宙学家困惑的谜团，但直接坍缩黑洞（ DCBH ）情景此 后已得到实验证实，为宇宙历史上最早的时期之一提供了至关重要的见解。

BY: Matthew Williams

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选文：天文志愿文章组 -

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参考资料

1.WJ 百科全书

2. 天文学名词

3. 原文来自： https://www.universetoday.com/articles/the-little-red-dots-observed-by-webb-were-direct-collapse-black-holes

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