黑洞还是黑洞恒星？天文学家就'小红点'展开争论

# 黑洞还是黑洞恒星？天文学家就韦布望远镜的“小红点”展开激辩 | 《量子》杂志 来源：https://www.quantamagazine.org/black-holes-or-black-hole-stars-astronomers-spar-over-webb-telescopes-little-red-dots-20260914/ ## 引言 天文学家建造詹姆斯·韦布空间望远镜，是为了捕捉大爆炸后最初十亿年间微弱的光线——那是一个混沌的时代，巨量氢氦气体逐渐聚集成了我们今天所见的星系链。即便在望远镜的首批图像中，天文学家就已观察到大量神秘的光斑。 其中一类天体尤其难以解读。它们亮得刺眼，发出长波红光，亮度堪比整个星系。它们体积极小，仅跨越一个像素。而且无处不在。几乎韦布望远镜拍摄的每张图像中都会出现几个。2023年，研究人员开始称它们为“小红点”。天文学家反复将韦布望远镜对准这些小红点，从中榨取宝贵的新信息。 最初，研究者认为这些点看起来像星系。后来他们得出结论：小红点更类似于坐落于大多数星系中心的超大质量黑洞。这些怪兽般的质量本身是黑暗的，但其可怕的引力会疯狂地吸积气体及附近物质，产生炽热的旋转碎片环，其光芒完全掩盖了周围的恒星。 接着，在2025年春天，两个天文学家团队同时宣布观测到一对与众不同的小红点。事实上，它们与任何已知天体都不同。 “在我们用地面望远镜拍摄的数百万张图像中，”德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的研究员、其中一组的负责人安娜·德·格拉夫说道，“没有任何东西看起来像这些光源。” 这两个天文学家团队提出，他们正在观测一种新的天体：一个颠倒的氢块体，其核心深处隐藏着黑洞，却散发着数十亿颗太阳的光芒。他们称之为黑洞恒星。 上周发布的一篇论文中，天文学家将此分析推进了一步。他们认为，韦布望远镜正目睹超大质量黑洞在巨型恒星核心内诞生。“这是一种全新的根本性现象，”夏威夷大学的天文学家罗汉·纳伊杜说。 但并非所有人都认同这一大胆解释。它引发了一系列后续研究，并重新点燃了关于这些奇特光点本质的激烈辩论。 “这个领域已变得非常两极分化，”研究小红点的麻省理工学院天体物理学家安娜-克里斯蒂娜·埃勒斯表示。 ## **小红点之谜** 当你只能看到一个光点时，很难判断它到底是什么。你所知的仅是其颜色和亮度。天文学家最初认为小红点是宇宙视界上的遥远星系，主要因为它们非常明亮。但如此明亮的星系必然极其巨大——而在仅数亿年内成长到如此规模却无已知途径。天文学家称它们为“宇宙破坏者”，因其似乎颠覆了标准的宇宙时间线。 随后他们进行了更细致的观察。德·格拉夫领导了一项名为“红未知体：明亮红外河外巡天”（简称Rubies）的调查，纳伊杜共同领导了另一项名为“海市蜃楼或奇迹”（简称MOM）的调查。这些是众多使用韦布望远镜对准遥远天体（包括小红点）进行长时间观测的调查中的两项。他们精确记录了每个光点发出的光色及其亮度。这种详细的光谱分解为天文学家提供了比初步观测远为丰富的信息。不同原子会发出微妙色差的光，因此光谱揭示了天体内部粒子的动态。 小红点光谱中的爆炸性发现是氢的谱线被拉伸成多重颜色。通常，看到这种效应意味着你正对着一个暴露的黑洞。黑洞以极高速度旋转周围的氢云，云团因速度不同而发出略有差异的颜色。结果是你看不到氢的单一色相，而是看到一系列颜色，称为宽线。这个范围越宽，最快的氢云飞得越快——黑洞的质量也越大。 许多天文学家得出结论：宇宙中遍布着巨大的黑洞，它们淹没了宿主星系中恒星的光芒。作为黑洞，小红点呈现红色是因为尘埃（比气体复杂得多的颗粒物质）阻挡了其蓝光。 然而它们仍然显得怪异。大多数超大质量黑洞在吞咽周围气团时会闪烁，还会向宇宙发射强烈的X射线。大多数小红点似乎两者皆无。 但这并未困扰天文学家太多；他们预期在早期宇宙的混乱中会看到一些怪事。而且至少黑洞并未打破任何宇宙学理论。 接着，在2025年春天，德·格拉夫和纳伊杜的团队揭示了迄今为止最奇特的两个点。 ## **新解释** 使这两个小红点与众不同的是它们的红色程度。韦布几乎没探测到其光谱中蓝色波段的光。而在特定的红色波段，亮度突然剧增。这种被称为巴尔末断裂的特征，通常出现在观察炽热氢气球时——典型情况是某些类型的恒星或星系（由众多恒星组成）。在恒星核心深处，核聚变产生热与光，缓慢渗透到恒星表面。在那里，氢原子可能被激发到能阻挡蓝光、仅让红光通过的状态。这些红色具有驼峰状光谱，揭示了恒星表面的整体温度。 但新的小红点不可能是真正的恒星——它们太亮了。它们看起来也不太像黑洞。黑洞通常有各种不同温度的环状结构，通常不会产生巴尔末断裂，或指示约5000开尔文均匀燃烧恒星表面的红色驼峰曲线。 纳伊杜和德·格拉夫得出结论：他们正在观测一种结合了黑洞能量与恒星外观的新天体的首批样本：黑洞恒星。 从外部看，黑洞恒星会呈现为巨大的氢气团。如果我们的太阳被黑洞恒星取代，其范围将延伸至冥王星轨道之外十几倍。靠近边缘处，恒星会不稳定沸腾，剥落外层并爆发性喷射物质。“这将是一个非常混乱的系统，物质不断被吹出又落回，”德·格拉夫说，“我不想靠得太近。” 在中心深处，外部世界不可见，恒星由黑洞驱动。这个黑洞会吸积周围气体，剧烈加热并推动光与能量向外辐射，从而阻止外层氢气向内坍缩。这样，黑洞就成了恒星的“引擎”，类似于我们太阳由聚变驱动的核心。向外移动，围绕黑洞旋转的物质会辐射出一系列颜色，逐渐传至表面。与某些恒星类似，表面附近的氢气会阻止蓝光通过而允许红光通过。德·格拉夫和纳伊杜推论，最终结果将是一个气体表面，其亮度堪比更暴露的黑洞，却具有5000开尔文恒星的巴尔末断裂和光滑红色驼峰。作为额外好处，气体“茧”也会阻挡X射线，且气体不会频繁闪烁——这解释了其他小红点的两大谜团。 那么宽线呢？据称是氢气快速绕黑洞旋转造成的。另一个团队提供了可能解释。 包括曼彻斯特大学天文学家瓦迪姆·鲁萨科夫在内的该团队，一直在仔细研究观测最清晰的小红点的宽线。宽线形状像尖锐的山峰。但鲁萨科夫和合作者注意到，许多情况下，这些“山坡”比来自黑洞周围快速移动气体的预期更平缓。因此他们建议，氢线颜色的扩散大部分可能来自光被电子散射。 鲁萨科夫说，他们从数据中数字移除了这种电子散射导致的模糊效应。之后，宽线看起来不再那么宽，更像光穿过缓慢翻腾的氢气壳层，处于特定状态，类似于黑洞恒星的预期特征。三个团队——德·格拉夫、纳伊杜和鲁萨科夫的团队——于2025年3月20日发布了他们的发现——研究者称之为“黑洞恒星日”。 黑洞恒星可能代表超大质量黑洞发育的新阶段：首先，黑洞在氢壳中心形成，同时伴随一个由普通恒星组成的婴儿星系。然后，随着时间推移，黑洞会“吃穿”自己的茧，在清除氢气的过程中增加质量。 “我们正在见证种子，”纳伊杜说，“这可能是宇宙中每个巨大黑洞的诞生过程。” ## **反对观点** 黑洞恒星的支持者援引奥卡姆剃刀原理，认为他们的理论对这两个小红点（或许对所有小红点）提供了最简洁的解释。但简洁是主观的，过去一年里天文学家就此展开了热烈辩论。 即便在发现首批小红点多年后，关于它们的定论仍很少。科尔比学院的天体物理学家戴尔·科切夫斯基回忆起在2026年4月科罗拉多州阿斯彭的一次会议上领导相关讨论。他从希望不会引起争议的关于微量蓝光的观点开始总结。“全场爆发争论，我们甚至没能过第一点，”他说。 许多天文学家仍认为小红点是传统黑洞——即便是新的一对。“数据确实很有说服力，”剑桥大学的罗伯托·迈奥利诺说，“但我对这个解释有些怀疑。” 对于支持黑洞恒星的每一点，迈奥利诺都迅速反驳。缺乏闪烁？在早期宇宙，黑洞可能有更稳定的食物供应，因此可能进食更有条理。缺乏X射线？标准的星系黑洞被厚实的气体尘埃甜甜圈环绕，可阻挡大部分X射线。他认为没有理由怀疑小红点不是标准的超大质量黑洞。 新天体的红色很醒目，他承认这表明黑洞与我们之间必然存在大量气体。但这些气体可能来自甜甜圈结构，或是填补黑洞天空部分的蓬松云团，而非黑洞恒星周围的壳层。迈奥利诺同意电子散射可能使一些小红点光谱中的谱线展宽。但电子散射也会使超大质量黑洞的氢线模糊，他说。 迈奥利诺和加州大学圣克鲁兹分校的合作者皮耶罗·马道指出，点的红色主要来自我们观测它的角度。最红的点恰好是我们侧向看到的，其气体甜甜圈阻挡了视线。韦布也看到一些“小蓝点”——迈奥利诺和马道在2026年春天指出，这些可能是相同暴露的黑洞，只是我们从顶部观察。他们同样援引奥卡姆剃刀——这次认为黑洞是解释各种颜色小点的更简单方案。 目前，黑洞或黑洞恒星两种理论都能匹配韦布望远镜的观测。“我认为没有充分理由偏向其中一种，”阿默斯特大学天文学家毛罗·吉亚瓦利斯科说，他职业生涯的大部分时间都在解读遥远星系的光谱。 要验证各自的解释，天文学家需要更清晰地描绘黑洞恒星可能如何形成，以及他们预期其具体样貌。 ## **类星体回归** 过去几年，米切尔·贝格尔曼在科罗拉多大学博尔德分校为研究生开设关于小红点的研讨会。这让他持续阅读该主题如潮水般涌现的论文。在这些既非恒星也非黑洞的神秘天体中，他认出了一个旧日幽灵：类星体。“突然灵光一现，我意识到类星体就该长这样，”贝格尔曼说。 早在2006年，贝格尔曼就与玛塔·沃隆特里和马丁·里斯共同提出了类星体的存在，用以解释看似质量大到不可思议的黑洞的观测结果。 他们的类星体理论提供了一种形成黑洞恒星的方式：巨大气体云核心坍缩直接形成黑洞，将其余云层聚集在周围。 2025年，贝格尔曼和合作者杰森·德克斯特将类星体模型应用于小红点。他们估计类星体能在几百万年内快速组装自身，然后进入更成熟形态，看起来就像小红点。这种状态会持续数千万年——足以让韦布望远镜发现它们。 2026年，吉亚瓦利斯科与团队完善了类星体模型作为黑洞恒星的起源，他认为这是解释小红点如何掩盖吸积黑洞迹象的自然方式。他指出我们的太阳也施展同样的把戏，只是规模小得多，隐藏了其剧烈的聚变。“我们每秒都有数十亿氢弹爆炸，却一个也看不见，”他说。 吉亚瓦利斯科及其合作者发现，他们新的类星体模型比初始模型更贴合德·格拉夫和纳伊杜天体的光谱。他认为类星体理论是小红点的合理解释，但仍对其他想法持开放态度。“我只想知道真相，”他说。 与此同时，研究者开始寻找另一个特征性规律：如果小红点是形成于