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“裸露”的孤身黑洞重写宇宙历史
James Webb空间望远镜在早期宇宙中发现了一个重达5000万个太阳的孤独黑洞。这一重大的发现让幼年宇宙的理论陷入困境。
Charlie Wood 撰文
左 芬 翻译
【译注：原文2025年9月12日刊载于QuantaMagazine，链接见文末。】
一个超级黑洞——在James Webb空间望远镜的这幅图像中可以看到三次——神秘地出现在早期宇宙中，并且没有星系环绕着它。
完全不同以往的一个黑洞在早期宇宙中被看到。它是巨大的，看起来基本上是独自一个，没什么恒星围绕着它。这个家伙可能代表着一整类全新的庞大“裸露”黑洞，颠覆了幼年宇宙的教科书式理解。
“这简直就离谱，” 剑桥大学天文物理学家质Roberto Maiolino说道，他在8月29日公布的一篇预印本文章中协助揭示了这一物体的本质。“这太激动人心了。它带来了海量信息。”
“它把我们认为可能是对的、可能会发生的事情的边界往外拓展了，”科尔比学院天文学家Dale Kocevski称。他没参与到这一新研究中。
天文学家探明这一裸露黑洞使用的是James Webb 空间望远镜（简称JWST）——由美国航空航天局及其合作伙伴建造的一台巨型设备，其部分目标在于揭示星系如何在宇宙的前十亿年里形成。这一重达5000万个太阳的新黑洞被命名为QSO1。它与星系形成过程的旧的暂行描述是冲突的，因为这一描述不从黑洞出发。黑洞被认为是星系中的恒星发生引力坍缩而形成的，并接着并合与生长。可是Maiolino及其同事刻画的是一个独处的巨兽，没有母体星系在视野里。
现在的问题是这个黑洞是从哪儿蹦出来的。
剑桥大学的Roberto Maiolino领导的一项研究决定性地识别出了这一全新物体。
最激动人心——也最具争议性——的一种可能可以追溯到英国物理学家Stephen Hawking 1971年的一个提议：黑洞起源于大爆炸本身产生的原初混沌之中。在此情形下，该物体会从宇宙的早期阶段开始就处在黑暗之中，等待着恒星和星系来照亮它。
QSO1是JWST最初几年里朝过往的最深处凝视时发现的数百个绰号为“小红点”的形似物体之一。天体物理学家还不能断定这些点是不是全都是黑洞，并且一般来说他们对宇宙的混沌幼年时期仍然困惑不解。不过望远镜的这些快照呈现出一个既同时又分别制造大黑洞和星系的嘈杂幼年宇宙，甚至可能是黑洞作为大结构最先出现——像是在一杯本来均匀调配的宇宙茶里的黑暗木薯泡——的一个宇宙。
QSO1和其它的小红点“说明我们并没有知晓一切”，爱尔兰梅努斯大学理论家John Regan说道，“这真的让人激动，整个领域都为之振奋起来。”
暗淡红点
以色列本·古里安大学天文学家Lukas Furtak看到QSO1的那一刻——或者说他在JWST 2023年拍下的一幅图片中看到它的三个影像隐藏在少量斑点状白色星系里的那一刻——就知道它是非比寻常的。它“立马就脱颖而出了，”Furtak通过Zoom说道，点击着三个近乎察觉不到的红色斑点，“有三个红色点源，这儿一个，这儿一个，还有一个在这上面。”
在这幅图片中，星系和暗物质的偶然分布让光线从背景物体传播过来时会发生偏折，就跟玻璃透镜一样；这一“引力透镜”使得望远镜可以看到早期宇宙里更遥远的、原本看不到的物体。这种透镜会放大并拉伸其背后的事物，有时还会生成多个影像。Furtak在为被透镜投影到多个位置的香蕉状星系片层绘制图像时，一下就发现了QSO1的这三个红点。
这些红点吸引了他的注意力是因为它们没有出现拉伸的迹象。他知道，哪怕在拉伸之后看起来仍然像一个小圆点的唯一物体是一个更小、更圆的点。这可不是星系，他认为；它必然是一个黑洞，质量聚集得如此致密使得其引力在周围生成了一个无法逃脱的空间区域。
在接下来的六个月里，Furtak与合作者将JWST朝着三个红点中的每一个分别观察了40小时，以对来自该物体的光的颜色——也就是所谓光谱——加以统计。这项研究得出结论，QSO1极可能是在至多100光年跨度的范围内堆积了数千万个太阳质量的一个炽热黑洞，并在它出现于宇宙仅仅7.5亿年时被看到。（如今宇宙已经接近140亿年了。）
2021年升空的James Webb空间望远镜已经在早期宇宙中发现了数以百计的奇特黑洞和星系，揭示出宇宙历史上混沌的最初10亿年。
QSO1是最早发现的一批小红点之一。这种红点现在已经有超过300个了，并且一场关于其本质的激烈争论已经进行了两年。它们有着炽热黑洞的某些典型特征，但缺乏其它的。并且（到目前为止）对它们质量的估计还是有些间接。因此，一些天体物理学家辩称——比如8月份一个小组对100多个小红点所做的分析——这些物体其实只是看起来奇怪的星系而已，根本不包含黑洞。
“整个领域都迷上了它们，”Kocevski说道，“发现这种无法解释的事情可是极其罕见的。”
推近镜头
2024年12月，Maiolino与如今在Max Planck地外物理研究所的Hannah Übler及其他合作者又将JWST对准了QSO1 10个小时。他们将红点放大，直到它解析成像素化的斑点，然后测量来自每个像素点的特定颜色。借助这些光谱，他们计算出每个像素点上的物质朝向或远离我们移动的速度。这些科学家们发现明亮的物质——很可能是热气体——盘旋在一个狂暴的漩涡里，从而支持了Furtak的初步发现。
他们更近距离的观察在五月和八月公开的两篇预印本文章里有细致的描述，并确切无疑地揭示了QSO1的身份。
一条线索是它的质量。通过重构漩涡，该团队直接测量出了它所围绕的物体的质量：比我们太阳的质量超出5000万倍。这与Furtak及其合作者得出的结果是相符的。（这一结果本身也是一个巨大的进步：它表明基于整个物体光谱的简易而间接的质量测量对于年轻黑洞而言是可行的，而这一点一直有争议。）
目前已经有超过300个“小红点”被发现。它们是早期宇宙中的神秘物体，看起来在某些方面像是巨大的炽热黑洞，在其它方面又像是独特的星系。
此外，团队没有在QSO1周围发现任何发光星系的迹象。气体围绕中心像素点运转，就跟地球围绕太阳一样——这表明质量堆积到了一个点上。团队估算出黑洞至少占据了QSO1三分之二的质量，而剩下的三分之一是气体，可能还有少量的恒星。没有参与这项研究的Regan认为他们过于保守了，QSO1可能90%是黑洞。“我们此前从未见过这种物体，”他说。
最后，逐像素的光谱还揭示出围绕着黑洞的气体基本上是纯氢元素，从大爆炸起就存在的一种元素。恒星通过将氢聚变成重原子而发光，而当恒星爆炸时，它们会把这些重元素散布到各处。QSO1看起来是在周围还没有恒星形成和消亡时就达到了现在的状态。
“最可靠的解释看起来是黑洞在星系之前就出现了，”巴黎天体物理研究所理论家Marta Volonteri称。他参与了QSO1的这一全新分析。
起因成谜
眼下天体物理学家的首要任务是理解QSO1与它的同类是如何形成的，以及它们如何演变成如今位于发光星系中心的超大质量黑洞。超大质量黑洞可以重达数十亿个太阳质量，在宇宙最初十亿年末就锚定着星系。
超大质量黑洞很久以来就困惑着天体物理学家们。他们知道星系中的大型恒星在燃烧和死亡时会生成黑洞。这些恒星遗骸会合并，还会吞噬气体和尘埃，从而不断长大。常规的理解是，这一生长最终会在星系中心形成一个巨大的黑洞。问题在于，所有这些吞噬和合并过程都需要时间，而天体物理学家很难想象这一切如何发生地足够快，来产生在宇宙十亿年时的超大质量黑洞。因此理论家们花了数十年想出了一系列关于它们形成方式的另类理论。
以色列本·古里安大学天文学家Lukas Furtak在一片明亮的白色星系中立刻注意到了QSO1。
如今QSO1完全没有星系可言，说明确实存在另外的方式。
所以宇宙到底如何直接生产出巨型黑洞？Maiolino的团队倾向于Hawking的提议。大爆炸产生出一个婴儿宇宙，它在某些位置比其它的更加稠密。足够稠密处可以直接坍缩成黑洞，并接着吞噬周围的任何物质来继续生长。过了数亿年后，这些“原初”黑洞中的一些可能会达到巨大的规模——从而表现得很像QSO1。
“它是我看到的最合理的解释，”Volonteri说道，不过“我敢担保接下来六个月里会有一千个人提出另外的理论来。”
他们其实用不着等六个月。甚至在QSO1被发现之前，耶鲁大学理论天体物理学家Priyamvada Natarajan与合作者就已经公布了两种可以解释QSO1来源的非原初理论。
不少理论都可以解释QSO1的神秘来源。耶鲁大学理论家Priyamvada Natarajan协助发展了其中的一些。
第一种理论假定大爆炸会产生稠密处，但它们不会立即坍缩。相反，它们会在数十万年里演变成气体云。大爆炸的残留辐射会阻止这些云冷却及断裂成恒星，并会让它们变得足够重，进而直接坍缩成黑洞。在六月公布的一篇文章中，由纽约大学的Wenzer Win领导的研究者称这些稍晚成形的巨兽为“不完全原初”黑洞。
也有可能QSO1终究来自于一个星系——一个快速形成，制造出一个大黑洞，又消失了的星系。2014年，Natarajan和以色列魏茨曼科学研究院的Tal Alexander描述了一种方案，其中发光区域里的一颗恒星坍缩成了一个大黑洞，接着它像吃豆人一样四处穿梭，吸食气体后膨胀到超大规模。其它的早期恒星之后会迅速地熄灭，留下巨型黑洞孤身一人。
这些起源故事没有哪一个跟QSO1完全契合，尽管每一种都是可能的。被基本排除掉的唯一方案是教科书上的那种，恒星坍缩、合并及吞噬轨道盘气体来生成。
QSO1并不是JWST找到的第一个非常规黑洞，但它是最裸露的那个。另一个惊人的发现位于被称作UHZ1的星系内部，而它在大爆炸后不到五亿年内形成。通过结合JWST的观测与Chandra X-射线天文台2022年从该物体收集的X-射线，Natarajan与合作者确定UHZ1中的黑洞组分也比环绕的星系多。这一点与少量其它性质让该团队得出结论，UHZ1的黑洞是气体云在很大程度上跳过了恒星阶段而直接坍缩生成的——一种对QSO1可能也适用的理论。
天文学家面临的挑战——以及激动之处——在于，他们首次面对着宇宙历史上的一个全新时期，而理解这一时期的场景是很棘手的。Regan将这一情况比作发展关于人类的一套完整理论，而仅仅基于成人和青少年——对应于JWST发射前我们能看到的青少年和成熟星系。如今观察到小红点就等同于发现了幼儿。这些凌乱的新实体让研究者很难基于之前看到的一切予以解释。“这是一种完全不同的感觉，”他说，“它们就像疯子一样四处乱跑。”
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/a-single-naked-black-hole-rewrites-the-history-of-the-universe-20250912/
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