揭開宇宙“小紅點(diǎn)”之謎

令人費(fèi)解的“小紅點(diǎn)”

2022年，韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在高紅移宇宙中發(fā)現(xiàn)了一些神秘的“小紅點(diǎn)”。這些光點(diǎn)致密、明亮，卻令人困惑，它們出現(xiàn)在宇宙“僅有”數(shù)億年歷史的時(shí)候；而又過了十億年，它們似乎又消失不見了。那么，它們究竟是什么？

起初，一些科學(xué)家認(rèn)為“小紅點(diǎn)”是一些質(zhì)量巨大的星系，其恒星總質(zhì)量比銀河系還要大，其輻射強(qiáng)到足以讓JWST在130億年后的今天仍能探測到。然而，這一推測很難與一個(gè)事實(shí)相吻合：這些天體存在于大約在大爆炸后6億年的早期宇宙，而這一時(shí)期通常應(yīng)當(dāng)對(duì)應(yīng)更低的恒星總質(zhì)量。

此外，一個(gè)星系中可用于形成恒星的可見物質(zhì)數(shù)量，是其所含暗物質(zhì)質(zhì)量的一個(gè)固定比例。按照傳統(tǒng)宇宙學(xué)模型，“小紅點(diǎn)”中的暗物質(zhì)質(zhì)量太小，不足以支撐它們成為“高恒星質(zhì)量”的星系。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)“小紅點(diǎn)”圖像進(jìn)行了兩年持續(xù)分析之后找到了答案。

不是星系

宇宙中含量最豐富的元素是氫。當(dāng)氫氣受到高能激發(fā)時(shí)，其中的原子就會(huì)發(fā)光。這種光的光譜會(huì)在一些明確的頻率位置出現(xiàn)尖峰，也就是發(fā)射線。來自天體的氫發(fā)射線通常呈現(xiàn)為寬峰，即峰值會(huì)跨越一段頻率范圍，這段范圍稱為線寬。

過去的研究表明，“小紅點(diǎn)”的氫發(fā)射線尤其寬，這表明發(fā)光氣體的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到每秒數(shù)千千米。如此極端的速度，是活動(dòng)星系核（AGN）的“典型特征”。

所謂AGN，指的是在一些星系中，物質(zhì)在星系中心的超大質(zhì)量黑洞引力牽引下被加速、加熱并發(fā)光的區(qū)域。AGN總會(huì)發(fā)射出X射線以及射電波。但迄今為止，科學(xué)家并沒有從“小紅點(diǎn)”探測到X射線或射電波的信號(hào)。

在新的研究中，研究人員利用JWST對(duì)氫發(fā)射線Hα（波長656.28納米）的觀測，對(duì)12個(gè)“小紅點(diǎn)”的譜線形狀進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，JWST觀測到的Hα光譜與一種情形相一致：一個(gè)極高亮度的中心光源，被致密的電離氣體云所包圍。在樣本中，最亮光源的總光度相當(dāng)于超過2500億個(gè)太陽的光度，而其這些光源的尺度只有不到0.1秒差距，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)星系的尺度。

如此巨大的光度，卻集中在如此微小的空間區(qū)域，在已知物理機(jī)制中，唯一合理的解釋是超大質(zhì)量黑洞的吸積過程。因此，這項(xiàng)研究認(rèn)為，“小紅點(diǎn)”本質(zhì)上對(duì)應(yīng)的是處在快速生長早期階段、被致密電離氣體“繭”包裹的年輕超大質(zhì)量黑洞吸積系統(tǒng)。

“小紅點(diǎn)”其實(shí)是被一層致密氣體“繭”包裹的年輕的超大質(zhì)量黑洞，并正在吸積其中的物質(zhì)不斷成長。吸積過程會(huì)釋放出巨大的能量，這些輻射穿透氣體繭射出，使“小紅點(diǎn)”呈現(xiàn)出獨(dú)特的紅色。（圖/JWST / Darach Watson）

有意思的是，在天文學(xué)中，“年輕”通常與藍(lán)色聯(lián)系在一起，因?yàn)槟贻p恒星燃燒熾熱、呈現(xiàn)藍(lán)色。但這次，研究人員發(fā)現(xiàn)的這些最年輕的超大質(zhì)量黑洞卻是紅色的。

快速成長的黑洞

目前已知的小紅點(diǎn)已有數(shù)百個(gè)，它們的質(zhì)量可高達(dá)太陽的1000萬倍，直徑可達(dá)1000萬千米。

研究人員表示，這項(xiàng)研究讓他們捕捉到了這些年輕超大質(zhì)量黑洞正處在快速增長過程中的狀態(tài)，這是此前從未觀測到的階段。

這為黑洞的早期發(fā)展帶來了新的認(rèn)識(shí)，并在一定程度上回答了一個(gè)問題：為何在大爆炸之后僅僅7億年，宇宙中就已經(jīng)出現(xiàn)了質(zhì)量高達(dá)太陽10億倍的超大質(zhì)量黑洞。

#參考來源：

https://news.ku.dk/all_news/2026/01/copenhagen-researchers-make-the-front-page-of-nature-solving-the-mystery-of-the-universes-little-red-dots/

https://www.nature.com/articles/d41586-025-04089-y

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09900-4

#圖片來源：

封面圖&首圖：JWST/Darach Watson