韋布觀測的‘小紅點’實為直接坍縮黑洞

‘小紅點’或源于宇宙中的直接坍縮黑洞

詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡利用多項調(diào)查數(shù)據(jù)觀測到的小紅點（ LRDs ）圖像。圖片來源：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所、戴爾科切夫斯基（科爾比學(xué)院）

詹姆 斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（ JWST ）旨在回溯過去，研究宇宙大爆炸后不久就已存在的星系。通過這樣做，科學(xué)家們希望更好地了解宇宙是如何從最早的宇宙學(xué)時期演化到現(xiàn)在的。當(dāng)韋伯首次將其先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備和儀器對準(zhǔn)早期宇宙時，它發(fā)現(xiàn)了一類新的天體物理對象：被稱為小紅點（ LRDs ）的明亮紅色天體。最初，天文學(xué)家假設(shè)它們可能是巨大的恒星形成區(qū)域，但這與已有的宇宙學(xué)模型不符。

本質(zhì)上，這些模型預(yù)測，在大爆炸后不到十億年的時間里，大質(zhì)量星系不可能形成。這促使人們提出一種理論：它們可能是類星體 —— 即由超大質(zhì)量黑洞（ SMBHs ）驅(qū)動 的星系明亮中心區(qū)域。這也對已有的模型提出了挑戰(zhàn)，因為此前的理論認(rèn)為超大質(zhì)量黑洞也沒有足夠時間形成。近期一篇由哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家團(tuán)隊發(fā)表的論文表明， LRDs 的謎團(tuán)可以通過將其識別為正在吸積物質(zhì)的直接坍縮黑洞（ DCBHs ）來解釋。

這項研究由法比奧帕庫奇領(lǐng)導(dǎo)，他是哈佛大學(xué)哈佛史密森天體物理中心（ CfA ）和黑洞倡議（ BHI ）的在職天體物理學(xué)家。參與研究的還有意大利比薩高等師范學(xué)院的宇宙學(xué)教授安德里亞費拉拉，以及科爾比學(xué)院的物理學(xué)與天文學(xué)副教授戴爾 D 科切夫斯基。詳細(xì)闡述他們研究結(jié)果的論文《小紅點是直接坍縮黑 洞》近期已在線發(fā)表，目前正在接受《自然》期刊的發(fā)表評審。

藝術(shù)家筆下快速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞及其吸積盤的想象圖。圖片來源：歐洲南方天文臺（ ESO ）歐洲航天局（ ESA ）哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 M。 科爾梅塞爾

他們的研究基于輻射流體動力學(xué)（ RHD ）模擬，這些模擬旨在建模直接坍縮黑洞（ DCBHs ）的輻射特性 —— 這類黑洞由冷氣 體云直接 形成。這與傳統(tǒng)模型不同，傳統(tǒng)模型預(yù)測黑洞是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的。這些大質(zhì)量恒星屬于理論上的第三星族星，是宇宙中的第一批恒星，由氫和氦組成，幾乎不含重元素（如金屬）。

它們體積巨大，溫度極 高且亮度極強(qiáng)，與更晚形成的恒星相比壽命非常短暫，其主序星階段僅持續(xù)約 200 萬至 500 萬年。隨著時間推移，這些黑洞會通過星系合并等機(jī)制與其他黑洞合并，形成大質(zhì)量黑洞（ MBHs ）。然而，這一過程需要數(shù)十億年才能完成，而非在大爆炸與這些星系出現(xiàn)之間的短短數(shù)億年時間內(nèi)。

正如 帕庫奇通過 電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣，這就是標(biāo)準(zhǔn)模型與現(xiàn)代觀測結(jié)果產(chǎn)生沖突的地方。

這種過程在鄰近宇宙中運行良好，但要解釋那些在宇宙僅數(shù)億年歷史時就出現(xiàn)的超大質(zhì)量黑洞（有時質(zhì)量超過太陽的 10 億倍）卻變得非常困難。簡單來說，按照常規(guī)的增長速 率，恒星級黑洞似乎沒有足夠時間成長到數(shù)百萬或數(shù)十億倍太陽質(zhì)量，這在理論與觀測之間造成了矛盾。這個長期存在的問題正是 DCBH 理論發(fā)揮作用的地方：這些黑洞并非從微小開始，而是天生就具有大質(zhì)量，提供了一個繞過上述時間瓶頸的自然捷徑。

相比之下，理論認(rèn)為直接坍縮黑洞（ DCBHs ）并非由第三族恒星的種子形成，而是在早期宇宙中直接從氫云坍縮而成。它們最初被提出是為了解決宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型與韋布望遠(yuǎn)鏡觀測到的高紅移天體（ LRDs ）之間的差異。在他們的論文中， 帕庫奇 及其同事測試了正在從周圍環(huán)境中積極吸積物質(zhì)的直接坍縮黑洞如何能 重現(xiàn)韋布望遠(yuǎn)鏡在早期宇宙中觀測到的現(xiàn)象。

這幅藝術(shù)想象圖描繪了一顆類太陽恒星靠近一個快速旋轉(zhuǎn)的超大質(zhì)量黑洞（ SMBH ）的場景。圖片來源：歐洲南方天文臺（ ESO ）歐洲航天局（ ESA ）哈勃空間望遠(yuǎn)鏡 M。 科爾梅塞

我們的輻射流體動力學(xué)模擬同時追蹤氣體是如何落入黑洞的，以及它產(chǎn)生的輻射如何影響周圍環(huán)境， 帕庫奇 說，這種相互作用自然會形成一個極其致密的環(huán)境，該環(huán)境會吸收高能輻射，并將其重新轉(zhuǎn)化為紫外和可見光，這些光在紅移成紅外線后會被詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（ JWST ）觀測到。當(dāng)我們把這些模擬轉(zhuǎn)換為模擬觀測結(jié)果時，它們 與 JWST 對 ‘ 小紅點 ’ 的觀測數(shù)據(jù)非常吻合，這表明 ‘ 小紅點 ’ 的特性可以用宇宙早期已知的物理過程來解釋。

他們發(fā)現(xiàn)，他們的模擬重現(xiàn)了低光度類星體（ LRDs ）的具體特征，包括其微弱的 X 射線輻射、金屬和高電離譜線的存在、恒星形成特征的缺失、它們的數(shù)量豐度和紅移演化，以及它們由輻射壓驅(qū)動的長期可變階段。同樣，黑洞周圍密集氣體云的存在也解釋了它們極其致密的性質(zhì)，以及為什么相對于任何恒星成分而言，它們看起來質(zhì)量過大。 帕庫奇 說：

所有 LRD 令人困惑的特性都能在一個單一、自洽的框架內(nèi)得到解釋，無需任何特設(shè)假設(shè)。我們的模型之所 以特別強(qiáng)大，在于其簡潔性 —— 它建立在數(shù)十年的理論研究基礎(chǔ)之上，這些研究揭示了直接坍縮黑洞在宇宙時間尺度上的形成與演化過程。 JWST 的主要科學(xué)目標(biāo)之一是識別首批黑洞并揭示它們的形成機(jī)制。 天文學(xué)家數(shù)十年來一直在尋找這些原始天體，但直接證據(jù)始終難以獲得。我們的研究結(jié)果表明， JWST 能夠觀測到這一長期尋找的階段：即大質(zhì)量黑洞種子通過直接坍縮形成和成長的過程。這將是一項重大突破，表明最早的黑洞形成效率高且時間早，而 JWST 終于為觀測它們的誕生打開了直接窗口。 （注： LRD 為原文縮寫，未展開說明故保留； JWST 指 詹姆 斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡）

幾十年來，天文學(xué)家一直在尋找這些原始天體，但直接證據(jù)一直難以尋覓。我們的研究結(jié)果表明，詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡（ JWST ）正 見證著 人們長期以來苦苦追尋的這一階段：大質(zhì)量黑洞種子通過直接坍縮形成并增長。這將是一項重大突破，表明最早的黑洞高效且早期就已形成，也表明詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡終于為我們打開了直接觀測黑洞誕生的窗口。

通過做出挑戰(zhàn)最廣泛接受的宇宙學(xué)模型的發(fā)現(xiàn)，韋伯望遠(yuǎn)鏡精確地完成了它被設(shè)計的使命。雖然低紅移類星體最初是一個讓天文學(xué)家和宇宙學(xué)家困惑的謎團(tuán)，但直接坍縮黑洞（ DCBH ）情景此 后已得到實驗證實，為宇宙歷史上最早的時期之一提供了至關(guān)重要的見解。

BY: Matthew Williams

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參考資料

1.WJ 百科全書

2. 天文學(xué)名詞

3. 原文來自： https://www.universetoday.com/articles/the-little-red-dots-observed-by-webb-were-direct-collapse-black-holes

本文由 AI 翻譯自 文章作者 Matthew Williams 的作品,如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán),請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除.

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