「小紅點」星系中的超大質量黑洞竟比預期大上1000倍，天文學家困惑不已

運用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），天文學家在早期宇宙中發現了遙遠且質量超大的超大質量黑洞。這些黑洞的質量，比起宿主星系中的恆星質量，大得超乎尋常。

在現代宇宙中，對於靠近我們銀河系的星系而言，超大質量黑洞的質量通常約為宿主星系恆星質量的0.01%。也就是說，星系中每有10,000個太陽質量的恆星，中央超大質量黑洞的質量就約為1個太陽質量。

然而在這項新研究中，研究人員經統計計算得出，JWST觀測到的一些早期星系中，超大質量黑洞的質量竟達到其宿主星系恆星質量的10%。這意味著，在這些星系中，每10,000個太陽質量的恆星，就對應有1,000個太陽質量的超大質量黑洞。

研究團隊負責人、奧地利科學技術研究所（ISTA）的科學家喬裡特·馬蒂（Jorryt Matthee）向Space.com表示：「與宿主星系的恆星質量相比，這些超大質量黑洞的質量非常高。從表面上看，我們的測量結果表明，超大質量黑洞的質量是我們所研究星系中恆星質量的10%。在最極端的情況下，這意味著這些黑洞的質量比正常情況下重了1000倍。」

這一發現或許能讓天文學家更進一步解開超大質量黑洞在早期宇宙中迅速增長的謎團。這些黑洞的質量是太陽的數百萬甚至數十億倍，它們究竟是如何在早期宇宙中快速形成的呢？

馬蒂補充道：「我不認為這一發現是『令人煩惱的』，反而覺得它『充滿希望』，因為巨大的差異表明我們即將有新的發現。」

自2022年夏天JWST開始向地球傳送資料以來，這臺耗資100億美元的望遠鏡幫助天文學家深化了對早期宇宙的理解。其中包括在宇宙年齡不到10億年時，就發現了具有數百萬太陽質量的超大質量黑洞。但這存在一個問題，科學家此前估計，黑洞要透過逐漸合併以及大量吞噬周圍物質，最終形成超大質量黑洞，這個過程需要超過10億年的時間。

JWST對早期宇宙的另一項重要研究成果，是發現了「小紅點星系」。其中一些星系在大爆炸後僅15億年就已存在，當時宇宙的年齡約為目前的11%。

這些早期星系出奇地明亮，呈紅色，據信是來自超大質量黑洞周圍扁平物質雲（稱為吸積盤）中的氣體和塵埃。當巨型黑洞吞噬這些物質時，它們會從被稱為活躍星系核（AGN）的緻密區域發射出大量的電磁能量。

馬蒂表示：「在2023年和2024年，我們和其他研究團隊在JWST的首批資料集中，發現了早期宇宙中此前未被發現的一類AGN。我們看到的這些物體發出的光，尤其是紅光，源自超大質量黑洞周圍的吸積盤。由於它們在JWST影象中看起來像『小紅點』，因此得名。」

目前，這類早期星系群備受關注，儘管我們對它們的瞭解還很有限。例如，在早期宇宙中，小紅點星系的數量似乎比此前從地球觀測到的、由超大質量黑洞供能的類星體AGN要多得多。

馬蒂還提到：「小紅點星系還展現出一些非常顯著的特性，比如它們在X射線發射中很微弱，這對AGN來說相當不尋常，而且它們的紅外發射也很異常。由於這些複雜因素，我們很難解讀從小紅點星系觀測到的光，這意味著研究它們的特性非常困難。」

在此背景下，馬蒂和同事們展開了新的研究。他們利用JWST第二年（第二週期）「All the Little Things（ALT）」調查的資料集，繪製了天空中特定區域所有星系的精確3D地圖。

馬蒂稱：「在這個區域內，我們識別出了7個小紅點星系，與此前的研究類似，但現在我們能夠在3D星系圖中比較它們的位置。」

研究團隊發現的這些小紅點星系距離我們非常遙遠，它們發出的光要經過約125億年才能抵達地球。它們聚集在所謂的星系宇宙網中，其位置至關重要。

星系在宇宙網中的位置取決於星系的型別。更成熟、質量更大的星系通常位於密度較高的區域，比如宇宙網的節點處；而較年輕、質量較低的星系則傾向於位於宇宙網中密度較低的區域，沿著單獨的絲狀結構遠離節點的地方。

馬蒂表示：「我們發現小紅點星系所在的環境類似於低質量、年輕的星系。這表明小紅點星系本身也是低質量的年輕星系。」

這些小紅點星系中存在AGN，這一發現證明瞭早期黑洞在恆星質量低至約1億倍太陽質量的星系中也在積極增長。

對於這一現象，一種可能的解釋是，早期宇宙中的超大質量黑洞形成和增長的效率，比現代宇宙中的要高得多。這可能是由於它們能更快地消耗周圍的氣體和物質。

馬蒂認為：「在我看來，最有可能的解釋是，早期宇宙中星系的氣體密度很高，這促進了超大質量黑洞的極快速增長。高氣體密度同時也導致了高恆星密度，透過促進殘留黑洞的失控碰撞，進而有利於超大質量黑洞的形成。」

如果真是如此，那麼星系中恆星和超大質量黑洞的形成本質上是相互關聯的，彼此相互依存。儘管早期星系中的超大質量黑洞增長更快，但恆星形成最終也會趕上，從而形成如今所見的1:100的質量比。

然而，這尚未證實快速增長理論比其他超大質量黑洞增長理論更正確，比如認為這些宇宙巨擘是由巨大氣體和塵埃雲直接坍縮形成的大質量黑洞種子發展而來的觀點。

但馬蒂補充道，在考慮各種競爭理論時，理論學家們現在很難忽視低質量宿主星系這一因素了。

馬蒂解釋說，研究團隊和更廣泛的天文學界接下來的工作，是要排除他們所發現的恆星質量/黑洞質量比不是由測量不準確或選擇偏差導致的可能性。選擇偏差可能會使研究偏向於最活躍、因而質量最大的超大質量黑洞。

這可能需要發現更多的小紅點星系，而JWST無疑將在這一探索中發揮核心作用。

馬蒂總結道：「JWST之所以重要，主要有兩個原因：如果沒有它，我們就無法發現那些微弱的AGN群體；而且，如果沒有JWST，我們也無法繪製出準確的星系分佈3D地圖，而這幅地圖是我們推斷宿主微弱AGN星系特性的依據。目前，這是一個非常令人興奮的研究領域！」

該團隊的研究尚未在同行評審的期刊上發表，目前已釋出在論文儲存庫網站arXiv上。本文最初釋出於Space.com。