韋伯望遠(yuǎn)鏡揭開宇宙“紅色小點(diǎn)”之謎：正在瘋長的年輕黑洞

自詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡投入科學(xué)觀測以來，散落在早期宇宙圖像中的一簇簇微弱“紅色小點(diǎn)”，一直讓天文學(xué)家頗為困惑。最新研究給出了一個(gè)出人意料又極端的答案：這些小紅點(diǎn)其實(shí)是被濃密氣體繭層包裹、正高速吞噬物質(zhì)并迅速長大的年輕黑洞，其釋放出的熾熱輻射穿透氣體“繭殼”，在韋布望遠(yuǎn)鏡的視野中呈現(xiàn)出獨(dú)特的紅色光輝。

這項(xiàng)由哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所“宇宙黎明中心”團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的研究，發(fā)表于1月14日的《自然》雜志，為理解宇宙最早期黑洞的起源提供了關(guān)鍵線索。研究指出，這些紅點(diǎn)出現(xiàn)于宇宙誕生僅幾億年的時(shí)期，隨后在大約十億年后的演化中“淡出”視野，其短暫而明亮的存在曾一度被懷疑代表“異常巨大的早期星系”。不過，這一假說與主流星系形成模型相沖突，因?yàn)榘凑宅F(xiàn)有理論，如此龐大的星系不應(yīng)如此早就出現(xiàn)。

經(jīng)過兩年對(duì)韋伯圖像的系統(tǒng)分析，團(tuán)隊(duì)得出了新的解釋：這些紅點(diǎn)并非超大星系，而是質(zhì)量比此前推算小上百倍的年輕黑洞，藏身于致密電離氣體構(gòu)成的“繭”中。研究負(fù)責(zé)人之一、教授達(dá)拉赫·沃森指出，黑洞在吞噬周圍氣體時(shí)會(huì)將其加熱至數(shù)百萬度，產(chǎn)生極強(qiáng)輻射，這些輻射穿透氣體繭層，在紅外波段形成鮮明的紅色信號(hào)，這正是“紅色小點(diǎn)”的來源。

盡管被稱為“年輕”，這些黑洞的尺度仍然驚人，質(zhì)量可達(dá)太陽的一千萬倍，直徑約一千萬公里，卻仍屬于目前觀測到的最小一類超大質(zhì)量黑洞。黑洞的“進(jìn)食”行為也頗為低效：落入引力勢(shì)阱的氣體在接近黑洞時(shí)被擠壓并加速，在盤狀或漏斗狀結(jié)構(gòu)中升溫發(fā)光，釋放出幾乎無可比擬的能量。強(qiáng)烈輻射同時(shí)又將大部分氣體從黑洞兩極方向“吹走”，真正被吞噬的只是其中極少一部分，因此研究團(tuán)隊(duì)形象地稱黑洞是“邋遢的食客”。

在此之前，天文學(xué)界一直難以解釋：為何在大爆炸僅約7億年后，宇宙中就已存在質(zhì)量可達(dá)太陽十億倍的超大質(zhì)量黑洞。最新結(jié)果顯示，這些“紅色小點(diǎn)”正處于黑洞極為短暫卻猛烈的增長期，其被濃密氣體包裹的階段過去從未被直接捕捉，如今首次被韋伯望遠(yuǎn)鏡“當(dāng)場抓到”。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一階段提供了黑洞快速生長所需的“燃料供應(yīng)通道”，為超大質(zhì)量黑洞在宇宙早期迅速長成龐然大物提供了一種可行路徑。

目前，天文學(xué)家已經(jīng)在韋伯?dāng)?shù)據(jù)中識(shí)別出數(shù)百個(gè)這樣的紅色小點(diǎn)，它們都被歸類為年輕黑洞候選體。其質(zhì)量較此前模型假定的“怪物級(jí)”黑洞要低得多，這意味著無需引入全新的奇異天體或物理過程，就可以在現(xiàn)有框架內(nèi)解釋這些觀測信號(hào)。這項(xiàng)工作不僅讓“紅色小點(diǎn)”從謎團(tuán)變?yōu)榉独舶沿?fù)責(zé)研究的宇宙黎明中心團(tuán)隊(duì)送上了《自然》封面，凸顯其在早期宇宙和黑洞研究領(lǐng)域的重要地位。

編譯自/ScitechDaily