追踪宇宙小红点——揭开黑洞起源的关键线索

韦布空间望远镜拍摄的“小红点”。

星空 新华社发

自人类望向星空起，宇宙总在不断抛出超出想象的未知谜题。2022年7月，当天文学家看到韦布空间望远镜（JWST）传回的首批图像时，宇宙的样貌基本符合大多数人的预期。画面中充满着耀眼的蓝色光芒、发光的星尘轨迹，气体形成的帷幕在新恒星诞生的光芒中熠熠生辉。

但情况很快就变得诡异起来。几乎每张新图像中都出现了神秘的微小红点。这些光点极其致密、亮度惊人，且呈现鲜明的红色。它们的数量之多令人震惊——无论JWST看向何处，至少都能发现一个被现今学术界统称为“小红点”（Little Red Dot，  LRD）的天体。它们诞生于大爆炸后数亿年，短暂出现又快速消失，光谱、质量、辐射特征全部背离现有天体理论。星暴星系、尘埃遮蔽黑洞、全新天体“黑洞星”，多种假说轮番登场，却始终没有统一答案。

1、遍布深空的神秘红色光点

天文学家很快测定，这些红点能追溯到大爆炸后约6亿年。这意味着，它们的光芒跨越了几乎与宇宙年龄相当的漫长岁月，才最终抵达JWST蜂窝状的镜面。这些红点曾遍布宇宙各处，却在大爆炸后15亿年又销声匿迹。

小红点的年龄、尺寸和惊人的数量都指向某种全新的事物，一种只有JWST才能看到的新天体。美国麻省理工学院（MIT）的天体物理学家罗汉·奈杜表示：“它们存在于望远镜拍摄的每一张图像中，如果我们想还原早期宇宙的完整图景，就必须查清它们的底细。”

起初，天体物理学家主要围绕几种理论来解释这些红点，每种解释都关乎宇宙演化的重大环节。小红点可能是一些致密星系，中心盘踞着正在疯狂吞噬物质并剧烈喷发的黑洞；它们也可能代表了某种从未见过的黑洞演化阶段；或者是尘埃笼罩的星暴星系，正像热油里的爆米花一样疯狂孕育着恒星。

如果小红点确实是超大质量黑洞，它们的广泛存在将有助于我们理解这些现象的本质。它们或许能揭示黑洞如何演化与以惊人的速度生长的秘密，甚至解释星系团的形成机制。这些发现还能帮理论研究者探索“直接坍缩黑洞”—这是一种相对较新的概念，认为黑洞并非由恒星残骸形成，而是由巨大的原始气体云直接坍缩而成，就像恒星诞生一样。

但最近，许多天文学家开始倾向于一个足以改变职业生涯的结论：这些小红点可能是一类全新的天体。最新的理论认为，它们可能是所谓的“准恒星”或“黑洞星”，这是20年前提出的概念。尽管部分专家仍持怀疑态度，但这一想法正迅速获得支持。

如果它们真的是宇宙中的某种全新的事物，将改变我们对宇宙的认知，正如20世纪60年代类星体（星系中心进食的黑洞）的发现彻底革新了星系演化理论一样。

多位天文学家坦言，面对全球数十个研究团队几乎每日更新的论文，追踪小红点相关研究已令人应接不暇。麻省理工学院的天文学家安娜-克里斯蒂娜·艾勒斯感叹道：“目前还没有形成共识，即便我们有了心仪的理论，也还有无数问题有待解答。”美国科尔比学院的天体物理学家戴尔·科采夫斯基自小红点初现便持续深入研究，他则更为乐观：“我敢肯定，一两年内我们就能搞清楚真相。”至少目前，还没人能识破这些小红点的伪装。

2、“每个小红点都是黑洞星”

小红点的红色是破解它们身份的关键信号。它们变红似乎至少有两个原因：首先，这些天体极其古老。古老的天体往往看起来偏红，因为随着宇宙不断膨胀，光线的波长在漫长的旅行中被拉长，产生了红移。

但天文学家已经意识到，小红点本身也是红色的。这意味着，它们的光不仅被拉伸了，它们本身还可能包裹在厚重的尘埃中，遮挡了其他波长的光。2024年3月发表的第一批关于小红点的论文就指出，这些天体数量丰富，“似乎被厚厚的尘埃包裹，在一团团蓝色的恒星形成区之间，呈现为红色的点状光源。”奥地利科学技术研究院的约里特·马特领导了这项研究，并赋予了它们这个亲切的名字。

小红点在韦布空间望远镜的图像中几乎无处不在，因为这台望远镜正是为观测红光而设计的，尤其擅长捕捉这些天体发出的中红外波段。哈勃空间望远镜看不到这种光，而之前的红外天文台，例如斯皮策空间望远镜，也不具备JWST这样的观测能力。JWST上的两台仪器—近红外相机和中红外仪器—是发现和研究小红点的主力设备，它们已经揭示了数百个这种泛着红色光芒的微小光点。

理解小红点的关键部分之一，需要一点化学的知识。这些红点的光谱中存在显著的“巴耳末断裂”，即在特定波长以下光强骤减。这一波长代表了将电子从氢原子特定能级中踢出所需的能量。当一个天体在这一波长以下发出的光少于这一波长以上时，天文学家可以推断，较高能的光子（波长更短）正被氢电子吸收，这意味着必然存在丰富的高能光子源。在星系中观察到巴耳末断裂通常意味着其中充满了年轻炽热的恒星。而小红点的光谱中恰恰有着这种典型的巴耳末断裂。

最初，天文学家认为这意味着小红点是正在孕育大量炽热恒星的星系—其中恒星数量可达数百亿颗。这些星系生产尘埃的效率也会非常高，这解释了为什么它们看起来是红色的，而不是初生恒星那种明亮的蓝色。但这个理论存在一个问题：对于像银河系这样年龄的星系来说，产生数十亿颗恒星很正常。但小红点只存在于宇宙历史中极其短暂的一瞬间，要形成如此多的恒星几乎是不可能的。更重要的是，这些红点太小了，容不下数十亿颗恒星。根据其发光特征，将这么多恒星挤进小红点大小的天体中，相当于在太阳系和最近的邻居比邻星之间再塞进几十万颗太阳。这与当前描述早期宇宙的宇宙学理论很难调和，更不用说恒星形成与相互作用的理论了。

随着天文学家在2024年观察到更多小红点，他们发现这些光点周围的气体正在快速旋转—这证明它们可能是由翻腾、炽热的黑洞（即活跃星系核）锚定的小星系。但这一理论也有问题，因为小红点没有显示出活跃黑洞常见的X射线辐射特征。其他被尘埃红化的活跃星系核周围常见的辐射特征也没有出现在它们身上。质量同样是个难题：该理论要求这些黑洞需要极其庞大，但这些黑洞寄居的星系比现如今的银河系还要小100倍左右。

到2025年底，新的观测表明并非所有的小红点都像最初想象的那样致密。在几个案例中，它们的实际距离也比天文学家原先估算的更近。事实上，一项关键研究认为，标志年轻炽热恒星的巴耳末断裂也可以由其他现象产生。

许多疑问依然未解开：这些小红点究竟是尘埃弥漫的星暴星系？是被尘埃遮蔽的活跃星系核？还是某种全新天体？还是如部分天文学家推测的—它们是上述所有情况的结合？这些答案中的任何一个都可能具有深远的宇宙意义。奈杜表示：“这是存在于我们拍摄图像中的巨大谜团，所以让我们揭开它吧。”

随着天文学家收集到越来越多的小红点样本，许多人开始确信黑洞必然牵涉其中。阿联酋大学天体物理学家穆罕默德·拉蒂夫指出：“即便它们是极端致密的恒星形成星系，其内部的恒星碰撞也自然会催生大质量黑洞。”

在一项被广泛引用的研究中，北京大学科维理天文与天体物理研究所的天体物理学家稻吉恒平计算出，黑洞前方的气体云会产生与“小红点”光信号相似的特征。科采夫斯基说：“这基本上扼杀了‘它们是大质量星系’的想法。”

2023年2月，哈佛大学的安娜·德格拉夫与同事合作提出了一个新的小红点搜寻计划，名为RUBIES（红色未知物：明亮红外河外星系巡天）。他们利用JWST近60小时的观测时间，观测了4500个遥远星系，最终发现约40个小红点。他们发现了一颗名为“悬崖”的奇特天体，因为该天体119亿年前发出的光谱中，巴耳末断裂极其陡峭。

德格拉夫团队绘制了这颗小红点的光谱图，显示其紫外光几乎为零，而在能量较低的长波段则出现突增。德格拉夫表示，典型星系的辐射强度不能实现这样的剧烈转变。而且，临近宇宙中的黑洞也做不到这一点。相反，这种奇怪的“光辐射悬崖”表明，该小红点必然像黑洞一样具有超强能量，但它也必然包裹在温暖致密的气茧中—就像恒星的大气层一样。

这些进展引起了米奇·比格尔曼的注意。作为美国科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家，比格尔曼早在2006年的一篇理论论文中就预言了这种结构。他称之为“准恒星”，它们可能在炽热的气体云中形成，气体云迅速坍缩并点燃一颗巨大的恒星，产生了短时间的核聚变。数百万年后，当氢供应耗尽后，核心就会收缩、内爆并形成黑洞。

“令我们惊讶的是，当我们尝试推导这一理论时，发现内爆释放的能量不足以吹走包层，”比格尔曼回忆道，“结果你会得到一个黑洞，同时保留99%的恒星包层。黑洞位于中心释放能量，但不是通过核聚变的方式。”换句话说，它发光是因为黑洞在吞噬气体，而不是由恒星“熔炉”提供能量。他的理论预言准恒星将非常巨大，质量约为太阳的一百万倍。而目前观测到的小红点似乎符合这一预期。比格尔曼说：“它们看起来不像是恒星组成的。”但它们也不是普通的黑洞。

去年7月，奈杜、德格拉夫及其同事认为，小红点正是非常接近比格尔曼描述的准恒星的天体：既非纯粹恒星，也非标准黑洞，但兼具两者的特征。奈杜和德格拉夫一直将此类天体称为“黑洞星”，它们是巨大的、明亮的气态球，其发光能量源自中心黑洞而非核聚变。

“我认为这绝对是JWST产出的最令人兴奋成果，”奈杜说，“我正全力投入这项工作，抛开了其他一切。在天文学中，能遇到一类全新的天体是非常罕见的，我非常确信这就是目前的情况。”

他和德格拉夫的模型解释了几个小红点的奇特性质，包括它们明显缺少X射线辐射—这原本是活跃黑洞的“名片”。他说：“如果你现在开始把它们看作中心有黑洞的巨大恒星，事情就开始对上号了，你能理解一整套非常奇特的特征。”

德格拉夫表示，“悬崖”可能是一颗黑洞星，另外几个小红点也极有可能属于此类。但她表示，关于是否所有这些神秘天体都属于这一类别，争论依然存在。她说：“如果你在街上随便问一个天文学家，我不认为他们会说每个小红点都是黑洞星，但如果你问我的团队，他们又会回答‘都是’”。

3、缺失的拼图

一个核心问题是，黑洞星是否代表了宇宙中黑洞的早期阶段—在它们失去那层导致红色调的外部气体包层之前的阶段。如果小红点确实代表了黑洞生命周期中某种奇怪的阶段，它们可能有助于解开黑洞的生长之谜。

爱因斯坦的引力理论预言了黑洞，天体物理学家曾设想它们从巨型恒星的内爆和向内塌缩中诞生。宇宙中充斥着看似由此形成的黑洞。但那些位于每个星系中心、重达数亿甚至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞却更难理解。它们必须足够快地成长到足以塑造周围星系的程度，但大多数黑洞生长模型都不能如此迅速地造就这种庞然巨物。

一些理论学者主张一种名为“直接坍缩黑洞”的新模型。在这种模型中，巨大的黑洞“种子”由致密气体云直接生长而来。这片气体云中并未点燃恒星，而是直接诞生出了一个超高密度、引力极其庞大的黑洞。

比格尔曼认为，黑洞星可能正是该理论的一种表现形式。他认为：“从理论上讲，我们可以理解气体聚集并立即坍缩成黑洞的条件，但我个人怀疑，中间很难避免类似超大质量恒星的阶段。”

无论直接坍缩理论是否正确，小红点都可能是超大质量黑洞的前身，后者构成了现代星系的核心。稻吉恒平曾推理论证这些小红点可能是被气体包层包围的黑洞，认为它是黑洞生长的一个阶段，可能是新生黑洞第一次开始吞噬物质的时期。因此，小红点可以说是黑洞的婴儿照。

在去年12月提交的另一篇论文中，稻吉恒平和同事提出，黑洞包层模型（即黑洞星）可以解释小红点奇特的光辐射特征及其数量密度。如果这一框架正确，那么小红点就是超大质量黑洞生命早期中一段短促而高效的生长期。

比格尔曼表示，这既能解释早期宇宙中巨量小红点的存在，也能说明它们现在的去向。“它们变成了超大质量黑洞，现代星系每个星系都有一个，所以你需要很多这样的前身。”他解释道。

当理论研究者分享这些观点时，观测者也陆续提供了更多证据来支持这些观点，并对现有的主流观点提出了质疑。例如，由美国空间望远镜科学研究所的天文学家皮耶路易吉·里纳尔迪联合美国亚利桑那大学的研究人员组成的一支团队在去年12月发现了另一个奇特天体：一个名为“维吉尔”的星系，其中心似乎有一个微泛红光的超大质量黑洞。

在可见光甚至明亮的蓝色紫外线下，“维吉尔”看起来是一个普通的星系，出现于大爆炸后约8亿年。但当用JWST的中红外仪器进行观测时，“维吉尔”的光却暗示其中存在一个与其规模极不相称的巨型黑洞。

这揭示了黑洞和星系成长的新路径。在JWST之前，天文学家曾假设星系先形成，最终在其核心出现超大质量黑洞—无论是通过直接坍缩还是其他方式产生。但现在看来，黑洞可能是更早形成的那个。

这一发现可能影响人类对“宇宙黎明”的探索。在大爆炸后5000万到1亿年之间的某个时期，宇宙中的第一批恒星才开始点燃，照亮了黑暗的宇宙。它们发出的紫外线重新激发了弥漫在宇宙中的中性气体，阻止自由氢原子核与电子结合形成中性原子。这种类似宇宙黎明的过程被称为“再电离时期”。但天文学家不确定它的发生机制。电离光线是来自年轻恒星？还是来自吞噬温气体和超热气体的贪婪黑洞？

“维吉尔”以及其他小红点的故事，表明天文学家一直漏掉了某些重要环节。尘埃遮蔽的黑洞在再电离中扮演的角色似乎比任何人想象的都更关键—只是直到现在我们才看到它们，因为它们发出的红光只有强大的JWST才能观察到。里纳尔迪表示，可能还有许多这样的庞然大物尚未被发现，除非JWST能进行更长时间、更深入的观测才行。“这让我震惊不已，”他说，“由于缺乏深场数据，我们可能遗漏了一块非常重要的拼图”。

4、时空调查

与此同时，寻找更多小红点的工作仍在继续。去年7月，亚利桑那大学的天文学家称在距离地球约10亿光年的地方发现了三个小红点。这些更近的、本质上年轻得多的红点表明，小红点在宇宙后期也可能出现。

去年12月，天文学家利用甚大阵在射电波段探测到了一个小红点，它离我们也很近。科采夫斯基说，天文学家正在筛选现有数据集（如斯隆数字巡天），以发现更多近处的小红点。

去年12月公布的一个罕见案例中，位于某个小红点和我们之间的一个星系团帮助天文学家观察到了该天体不同时间的快照。这个红点的光被前方的一个星系团放大了四次。这种被称为“引力透镜”的效应是爱因斯坦引力理论的另一个结果。根据北京大学张子键领导的研究小组的研究，这个小红点似乎在130年间发生了光变。未参与这项研究的里纳尔迪表示，需要更多深度观测来弄清小红点会随时间如何变化。他提到：“你获取的不同时期的观测数据越多，就越能实现某种意义上的‘时空旅行’。”

发现处于不同距离和时间的小红点，将帮助天文学家理解它们的演化过程，并确定它们是否能代表黑洞婴儿期、黑洞星结构或其他现象。

例如，也许小红点形成于旋转非常缓慢的暗物质晕中。不可见的暗物质塑造了宇宙，像晕一样围绕着星系和星系团。暗物质晕会旋转，天文学家可以通过研究气体流动来观察到这些旋转。在去年8月发表的一篇论文中，美国哈佛-史密森尼天体物理中心的法比奥·帕库奇及其同事提出，小红点可能形成于旋转极慢的暗物质晕中，这会自然而然地造就极其致密的星系。在最近的案例中，一个小红点被周围八个星系环绕，并嵌入到一个暗物质团块内部。最终，这样的小红点可能会演变成类星体—宇宙中最明亮的天体类型，通常位于暗物质晕之中。

另一种理论认为，小红点可能代表了一系列处于不同演化阶段的天体。里纳尔迪，荷兰格罗宁根大学的卡琳娜·卡普蒂及他们的同事指出，不同的小红点特征各异，甚至可能是完全不同的事物。在去年10月发表的一篇论文中，该团队论证称，部分小红点拥有活跃黑洞的典型特征，其气体流速高达每秒数千千米。而另一些小红点内部则更像是孕育恒星的工厂。他们认为，小红点标志性的巴耳末断裂，其成因或许无法用单一理论来解释。卡普蒂说：“我并不完全相信它们属于同一种天体。”

尽管大多数天文学家坚信小红点是某种形式的黑洞—无论是处于婴儿期、被气体包裹、直接坍缩形成，还是恒星演化而成的黑洞—但谜团依然重重。去年，数十个研究团队为下一轮JWST观测递交了提案。负责分配望远镜观测时间的专家组一直在审核这些申请，并即将公布入选项目。

当务之急是测定小红点的质量，这将有助于科学家判定它们究竟是什么天体，以及它们是否可能是多种天体的集合。由于传统的黑洞测量方法对这些红点失效，天文学家亟须开发新的策略和理论。麻省理工学院的奈杜致力于绘制一张黑洞星的演化图表，类似于天文学中根据亮度和表面温度刻画恒星演化阶段的基石—赫罗图。“只要掌握了温度、亮度和表面参数这几个关键指标，我们就能洞悉恒星的前世今生。这也正是我们需要针对‘小红点’测量的指标。”奈杜说。他希望有朝一日，这些古怪的红斑也能像恒星一样被人类理解。

（作者：丽贝卡·博伊尔）

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