韋布觀測的‘小紅點’實為直接坍縮黑洞

‘小紅點’或源于宇宙中的直接坍縮黑洞

詹姆斯韋布空間望遠鏡利用多項調查數據觀測到的小紅點（ LRDs ）圖像。圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、太空望遠鏡科學研究所、戴爾科切夫斯基（科爾比學院）

詹姆 斯韋伯太空望遠鏡（ JWST ）旨在回溯過去，研究宇宙大爆炸后不久就已存在的星系。通過這樣做，科學家們希望更好地了解宇宙是如何從最早的宇宙學時期演化到現在的。當韋伯首次將其先進的光學設備和儀器對準早期宇宙時，它發現了一類新的天體物理對象：被稱為小紅點（ LRDs ）的明亮紅色天體。最初，天文學家假設它們可能是巨大的恒星形成區域，但這與已有的宇宙學模型不符。

本質上，這些模型預測，在大爆炸后不到十億年的時間里，大質量星系不可能形成。這促使人們提出一種理論：它們可能是類星體 —— 即由超大質量黑洞（ SMBHs ）驅動 的星系明亮中心區域。這也對已有的模型提出了挑戰，因為此前的理論認為超大質量黑洞也沒有足夠時間形成。近期一篇由哈佛大學領導的天文學家團隊發表的論文表明， LRDs 的謎團可以通過將其識別為正在吸積物質的直接坍縮黑洞（ DCBHs ）來解釋。

這項研究由法比奧帕庫奇領導，他是哈佛大學哈佛史密森天體物理中心（ CfA ）和黑洞倡議（ BHI ）的在職天體物理學家。參與研究的還有意大利比薩高等師范學院的宇宙學教授安德里亞費拉拉，以及科爾比學院的物理學與天文學副教授戴爾 D 科切夫斯基。詳細闡述他們研究結果的論文《小紅點是直接坍縮黑 洞》近期已在線發表，目前正在接受《自然》期刊的發表評審。

藝術家筆下快速旋轉的超大質量黑洞及其吸積盤的想象圖。圖片來源：歐洲南方天文臺（ ESO ）歐洲航天局（ ESA ）哈勃太空望遠鏡 M。 科爾梅塞爾

他們的研究基于輻射流體動力學（ RHD ）模擬，這些模擬旨在建模直接坍縮黑洞（ DCBHs ）的輻射特性 —— 這類黑洞由冷氣 體云直接 形成。這與傳統模型不同，傳統模型預測黑洞是由大質量恒星坍縮形成的。這些大質量恒星屬于理論上的第三星族星，是宇宙中的第一批恒星，由氫和氦組成，幾乎不含重元素（如金屬）。

它們體積巨大，溫度極 高且亮度極強，與更晚形成的恒星相比壽命非常短暫，其主序星階段僅持續約 200 萬至 500 萬年。隨著時間推移，這些黑洞會通過星系合并等機制與其他黑洞合并，形成大質量黑洞（ MBHs ）。然而，這一過程需要數十億年才能完成，而非在大爆炸與這些星系出現之間的短短數億年時間內。

正如 帕庫奇通過 電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣，這就是標準模型與現代觀測結果產生沖突的地方。

這種過程在鄰近宇宙中運行良好，但要解釋那些在宇宙僅數億年歷史時就出現的超大質量黑洞（有時質量超過太陽的 10 億倍）卻變得非常困難。簡單來說，按照常規的增長速 率，恒星級黑洞似乎沒有足夠時間成長到數百萬或數十億倍太陽質量，這在理論與觀測之間造成了矛盾。這個長期存在的問題正是 DCBH 理論發揮作用的地方：這些黑洞并非從微小開始，而是天生就具有大質量，提供了一個繞過上述時間瓶頸的自然捷徑。

相比之下，理論認為直接坍縮黑洞（ DCBHs ）并非由第三族恒星的種子形成，而是在早期宇宙中直接從氫云坍縮而成。它們最初被提出是為了解決宇宙學標準模型與韋布望遠鏡觀測到的高紅移天體（ LRDs ）之間的差異。在他們的論文中， 帕庫奇 及其同事測試了正在從周圍環境中積極吸積物質的直接坍縮黑洞如何能 重現韋布望遠鏡在早期宇宙中觀測到的現象。

這幅藝術想象圖描繪了一顆類太陽恒星靠近一個快速旋轉的超大質量黑洞（ SMBH ）的場景。圖片來源：歐洲南方天文臺（ ESO ）歐洲航天局（ ESA ）哈勃空間望遠鏡 M。 科爾梅塞

我們的輻射流體動力學模擬同時追蹤氣體是如何落入黑洞的，以及它產生的輻射如何影響周圍環境， 帕庫奇 說，這種相互作用自然會形成一個極其致密的環境，該環境會吸收高能輻射，并將其重新轉化為紫外和可見光，這些光在紅移成紅外線后會被詹姆斯韋布空間望遠鏡（ JWST ）觀測到。當我們把這些模擬轉換為模擬觀測結果時，它們 與 JWST 對 ‘ 小紅點 ’ 的觀測數據非常吻合，這表明 ‘ 小紅點 ’ 的特性可以用宇宙早期已知的物理過程來解釋。

他們發現，他們的模擬重現了低光度類星體（ LRDs ）的具體特征，包括其微弱的 X 射線輻射、金屬和高電離譜線的存在、恒星形成特征的缺失、它們的數量豐度和紅移演化，以及它們由輻射壓驅動的長期可變階段。同樣，黑洞周圍密集氣體云的存在也解釋了它們極其致密的性質，以及為什么相對于任何恒星成分而言，它們看起來質量過大。 帕庫奇 說：

所有 LRD 令人困惑的特性都能在一個單一、自洽的框架內得到解釋，無需任何特設假設。我們的模型之所 以特別強大，在于其簡潔性 —— 它建立在數十年的理論研究基礎之上，這些研究揭示了直接坍縮黑洞在宇宙時間尺度上的形成與演化過程。 JWST 的主要科學目標之一是識別首批黑洞并揭示它們的形成機制。 天文學家數十年來一直在尋找這些原始天體，但直接證據始終難以獲得。我們的研究結果表明， JWST 能夠觀測到這一長期尋找的階段：即大質量黑洞種子通過直接坍縮形成和成長的過程。這將是一項重大突破，表明最早的黑洞形成效率高且時間早，而 JWST 終于為觀測它們的誕生打開了直接窗口。 （注： LRD 為原文縮寫，未展開說明故保留； JWST 指 詹姆 斯韋伯太空望遠鏡）

幾十年來，天文學家一直在尋找這些原始天體，但直接證據一直難以尋覓。我們的研究結果表明，詹姆斯韋布空間望遠鏡（ JWST ）正 見證著 人們長期以來苦苦追尋的這一階段：大質量黑洞種子通過直接坍縮形成并增長。這將是一項重大突破，表明最早的黑洞高效且早期就已形成，也表明詹姆斯韋布空間望遠鏡終于為我們打開了直接觀測黑洞誕生的窗口。

通過做出挑戰最廣泛接受的宇宙學模型的發現，韋伯望遠鏡精確地完成了它被設計的使命。雖然低紅移類星體最初是一個讓天文學家和宇宙學家困惑的謎團，但直接坍縮黑洞（ DCBH ）情景此 后已得到實驗證實，為宇宙歷史上最早的時期之一提供了至關重要的見解。

BY: Matthew Williams

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參考資料

1.WJ 百科全書

2. 天文學名詞

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

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