黑洞竟比星系先诞生？韦伯新发现令科学家困惑

詹姆斯韦伯空间望远镜发现了一个比母星系更早形成的黑洞，科学家对其形成过程仍不确定

詹姆斯韦伯空间望远镜 + 引力透镜 - 经典的黑洞形成理论遭到挑战

超大质量黑洞的形成理论遭到挑战

“我们正在重新审视黑洞形成和发展的经典理论，这很可能是一个彻底的范式转变。”

一张来自美国航空航天局的詹姆斯韦伯空间望远镜近红外相机拍摄的照片，显示了编号为Abell2744-QSO1的天体（被称为“小红点”），这个天体被潘多拉星系团的引力透镜效应放大，形成了三个图像。（图片来自美国航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、本古里安大学的卢卡斯·佛多克）

“小红点”星系是早期宇宙中发现的一类具有致密、极红特征的天体（下文简称“小红点”）。

最近，科学家利用詹姆斯韦伯空间望远镜对一个古老的“小红点”星系做了观测，这一观测结果将回答一个问题：黑洞与其对应的星系哪一个最先形成？此问题的答案超出了科学家的预期，可能从根本上改变我们对黑洞形成过程的理解。

这个“小红点”星系是在2022年被詹姆斯韦伯空间望远镜观测到的，随即被天文学家发现具有未曾见过的、全新的特征。之后的进一步研究令科学家更加好奇，因为这种星系在宇宙的婴儿期非常常见，但是在宇宙大爆炸15亿年后却很难找到。当然，“小红点”星系也只是詹姆斯韦伯空间望远镜“抛给”科学家的宇宙谜题中的一个。

“小红点”星系的艺术渲染图，它是韦伯望远镜带给人们的新发现之一（图片来自网络）

这台造价100亿美元的空间望远镜还发现了大量的超大质量黑洞，它们诞生于宇宙大爆炸的第一个10亿年之前，其质量达到几百万到几十亿倍太阳质量。这也是很矛盾的现象，因为之前科学家一直认为这些黑洞需要至少10亿年以上的时间，才能完成对物质的吞噬合并过程。

而对“小红点”星系的研究表明：超大质量黑洞的诞生也许并不需要先形成一颗大质量恒星，然后再花几百万年时间坍缩形成恒星级黑洞。并且，超大质量黑洞的早期不需要从星系中吞噬大量气体和尘埃让自己尺寸增大，它们可以诞生在星系形成之前，然后让星系聚集在自己周围。

本项研究所依赖的观测仪器 - 詹姆斯韦伯空间望远镜上搭载的近红外相机（图片来自网络）

来自英国剑桥大学的团队成员罗伯特·迈奥里诺在一份声明中表示：“这是一个了不起的发现，是一个范式的转变，是对黑洞生长过程经典理论的重新考虑。”这个科研团队的研究成果发表在5月27日的《自然》周刊上，以及英国皇家天文学会的月度公告上。

爱因斯坦的理论帮助我们观测到遥远的黑洞

在这个研究中，科学家将目光盯在编号为Abell2744-QSO1 (QSO1)的“小红点”星系上。它的宽度有1300光年，诞生于宇宙大爆炸的7亿年后，这意味它发出的光线光临地球已经有130亿年之久。

QSO1这个星系之所以比其它小红点星系容易研究，原因在于一种名为“引力透镜”的效应。

引力透镜效应示意图（图片来自网络）

1915年爱因斯坦首次提出了这一理论：当一个大质量的天体A位于地球和另一个更加遥远的天体B之间时，就会产生引力透镜效应。所有经过这一中间天体B的光线会被B周围的弯曲时空而弯折，并且距离天体B越近的光线发生的弯折越厉害。因此，天体A发出的光线被弯折后，到达我们望远镜的时间是不同的，最终结果就是天体A被引力透镜效应所放大。

回到QSO1这个星系，它就是被名为Abell 2744星系团（潘多拉星系团）所放大的那个“小红点”星系。

美国国家航空航天局的詹姆斯韦伯空间望远镜上携带的近红外相机对Abell2744-QSO的照片细节（图片来自美国航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局，以及来自剑桥等多个大学的科学家）

最初，研究人员以为QSO1只是一个被氢氦气体云环绕的、具有4000万倍太阳质量的超大质量黑洞，但是科学家对其质量仍然不太确定。

剑桥大学的团队成员弗朗西斯科·罗吉尼奥表示：“之前早期宇宙的黑洞质量测量都是通过间接方法完成，我们并不确定那些假定对遥远的宇宙是否一定适用。”

研究团队做了一番推理：如果QSO1中心的黑洞质量如最初预估的那样，那么应该可以观测到其周围环绕的气体具有一定的运动特征。于是他们使用詹姆斯韦伯空间望远镜上携带的近红外相机对其周围气体的运动进行观测，结果发现气体绕中心运动的特征和太阳系中行星绕太阳运动的特征是一致的，具有这种特征的运动被称为“开普勒运动”。

来自剑桥大学的伊格诺斯·尤斯巴利斯是团队的共同负责人，他表示：“其重要意义在于证实了QSO1的大部分质量集中于星系中心的黑洞。因为如果质量的分布是多颗恒星那种分散式的形态，气体的运动就不会是这种完美的开普勒运动。”

由此，科学家首次做到了直接测量QSO1中心黑洞的质量。

迈奥里诺进一步补充：“这是一个非凡的结果。这是对宇宙大爆炸第一个10亿年内诞生黑洞的首次直接质量测量，并且测量结果和以往的测量结果一致。”

结果显示：这个超大质量黑洞达到太阳质量的5000万倍，构成了“小红点星系”全部质量的66%。这是一个惊人的比例，远高于在本地宇宙中超大质量黑洞占据星系质量的比例。

超大质量黑洞的一张艺术渲染图，其周围仅有气体和尘埃（图片来自罗伯特·李）

结果表明：这个超大质量黑洞不可能诞生自坍缩的恒星，然后逐渐吞噬星系中的周边物质，而是出生时就是一个大个头，直接拥有了生成星系所需的大部分物质。

当然，围绕QSO1这个黑洞依然有很多谜团，特别是有关它的形成过程。研究人员认为这个黑洞可能从坍缩气体尘埃云形成的一颗巨大种子中诞生，或者在宇宙大爆炸的最初时刻就通过某些尚未了解的过程直接形成了这个黑洞。

研究人员比较确定的是QSO1在宇宙早期形成的“小红点”星系中并不罕见，他们正在分析其它的“小红点”星系，看其中是否同样包含超大质量黑洞以及周围正在成型的星系。

BY:Robert Lea

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自：https://www.space.com/astronomy/black-holes/james-webb-space-telescope-discovers-a-black-hole-that-formed-before-its-host-galaxy-scientists-arent-sure-how

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