JWST探测到九类难以归类的奇特天体

詹姆斯韦伯空间望远镜发现九个难以归类的天体。天文学家是否找到了他们的鸭嘴兽？

就像动物一样，星系通常也有奇异、不寻常甚至独特的特征。但一下子发现很多这样的特征，真的会让人警觉起来。

这些嵌入框展示了被认定为天文鸭嘴兽样本一部分的九个天体中四个的特写。总的来说，这九个天体具有混杂的特性，无法被整齐地归入任何单一类别，反而看起来像是星系、类星体和活动星系核（AGNs）的混合体，没有哪一类天体符合它们所有的观测特性。图片来源：艾莉莎帕根（空间望远镜科学研究所）

动物界中，鸭嘴兽是已发现的最奇特的物种之一：它是一种产卵的哺乳动物，长着鸭嘴、海狸尾巴，拥有类似鲨鱼的电定位能力，后脚上还有毒刺。 它如此与众不同，以至于曾被许多人视为骗局，但它确实真实存在。这些特征单独来看，任何一个都不足为奇，但把它们全部集中在一种动物身上，就确实违背了人们的预期。 利用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），天文学家发现了九个天体，它们同样拥有一系列特征——这些特征组合在一起完全违背了我们的预期，且缺乏连贯的解释。下面就来了解一下宇宙版鸭嘴兽的故事。

动物界中，有史以来最奇异的发现之一就是鸭嘴兽。当鸭嘴兽的相关报告传到西半球时，当时大多数顶尖的博物学家都认为这是个骗局，包括第一批检查其标本的欧洲科学家。它是一种会产卵的哺乳动物。它长着鸭子般的喙，却有着海狸似的尾巴。（至少雄性如此）它的后腿上有有毒的距，还具备通过一种被称为电感受器的特殊感官在水中定位其他生物的能力——这种感官在鲨鱼中很常见，但在哺乳动物中极为罕见。然而，鸭嘴兽确实拥有所有这些特征，尽管我们花了数十年（甚至一个多世纪）才弄明白这样的生物是如何演化而来的。

天文学家通过查看詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的大量数据，刚刚遇到了一个非常相似的情况。我们已经看到了各种各样我们相当了解的天体。

它们是点源（或者更准确地说，类似点的源），位于宇宙学红移很大的位置，具有窄（而非宽）发射线，并且不能整齐地归入任何已知的天体类别。

这会不会是天文版的鸭嘴兽？如果是的话，这意味着什么？让我们深入看看我们刚刚发现的东西。

这段深空图像由CEERS合作团队使用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的近红外相机（NIRCam）拍摄。它仅占该团队整个观测覆盖区域的约2%，其中近邻、中等距离与遥远的星系共同呈现，总曝光时间仅1小时。最蓝的星系通常代表距离最近的星系，而较红的星系要么距离更远，要么本身含有尘埃。请注意点状天体的稀少性与延展天体的普遍性NASASTScICEERSTACCS.芬克尔斯坦M.巴格利R.拉森Z.勒维；由E.西格尔修改

在天文学中，我们以前见过看似点状的天体。最常见的点状天体是恒星，实际上，除了我们的太阳之外，几乎每一颗恒星都是如此。恒星的体积很大——我们的太阳直径比地球大100多倍（体积更是地球的一百万倍），但与恒星的实际距离相比，这些尺寸就非常小了。即使是一个直径达数百万公里的巨大天体，如果距离足够远，看起来也会像一个点。目前太阳距离我们1.5亿公里，它在天空中的角直径约为半度。如果它位于比邻星（离我们最近的恒星）的位置，那么它在天空中的角直径将小于7毫角秒，即使是詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）也只能将其视为不到1个像素的点。

但我们能看到并单独分辨的恒星都相对较近，（而这些天体的）红移在z3.6到5.4之间，完全排除了它们是恒星的可能性。

这九幅图展示了九个已识别的鸭嘴兽天体的图像切片以及光谱随波长和振幅的变化情况。灰色方框中的图像每边仅1.6角秒，红色圆圈的半径为0.64角秒。最左边的两个方框代表哈勃望远镜的数据，其余所有方框代表詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的数据。图中标记了氧和氢的发射线。 参考文献：2509.12177，2025

根据已识别出的红移现象，这些天体发出的光并非来自近处，而是一定来自很久以前。

星系、活动星系核（也称为AGNs）以及类星体。

星系往往是延展型天体，即使在这样大的红移值下也是如此，因此它们似乎不太可能是这些类点状天体的候选者。不过，由于我们研究的天体无法清晰地归入任何已知的单一类别，我们会将这一可能性记在心里，之后再回来探讨。

不过，活动星系核（AGNs）和类星体都可能呈现点状，因为它们被认为是由正在吸积物质的超大质量黑洞产生的。尤其是类星体，通常呈现点状，因为它们是非常明亮、未被遮挡的超大质量黑洞，其喷流和吸积盘因注入其中的强烈热量和能量而发光。不过，由于这些物质离黑洞非常近，类星体通常会表现出我们所说的宽线发射——围绕黑洞近距离运行的物质的巨大内部速度会印记在发射线特征上。

这幅图展示了光谱中明显的狭窄峰值，这些峰值在一小部分星系样本中引起了研究人员的注意，这里以星系CEERS423342232为例进行说明。正是比预期更窄的光谱，再加上微小的点状外观，让这些星系格外引人注目。通常情况下，遥远的点状光源是类星体，但类星体的光谱形状要宽得多。 图片来源：美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、加拿大航天局（CSA）、约瑟夫奥尔姆斯特德（太空望远镜科学研究所）

对类星体假说而言不幸的是，这九个鸭嘴兽天体的特征信号并不存在宽线发射，反而呈现出窄线发射。上图展示了一个具有典型宽线特征的类星体光谱，以及这类鸭嘴兽状样本中一个典型成员的光谱对比。正如你能清楚看到的，在宇宙中最明亮的单个源中，这些宇宙鸭嘴兽的谱线相当窄。另一方面，这些鸭嘴兽状天体甚至比最暗淡的类星体还要暗淡得多。

不过，对于那些出现在大红移（因此距离宇宙极远）处且确实显示出窄发射线的天体，存在一个候选类别：活动星系核（AGNs）。窄线活动星系核类别（有时被称为2型活动星系核）确实显示出窄发射线，并且它们也出现在高红移处，就像这些鸭嘴兽天体一样。我们可以查看已识别出的九个鸭嘴兽天体的单个光谱，并且正如以下所示，它们似乎确实与2型活动星系核的解释相符。

这里展示的九个鸭嘴兽天体处于一条强发射线特征出现的特定波长下。这些谱线的宽度包含了关于发射气体的温度或运动状态的信息，表明这些窄发射线并非类星体的特征，但有时会出现在2型活动星系核（AGNs）中。资料来源：2509.12177

但接下来我们遇到了一个不同的问题——那些能与其中存在的活动星系核信号一同被识别的星系。然而，这九个鸭嘴兽天体全都是无宿主的。这意味着，如果这些天体确实是活动星系核（AGNs），它们就代表了一类全新的活动星系核：低光度、无宿主且类点状的活动星系核。

还剩下什么其他选择？这些新发现的物体似乎在各方面都与之前发现的任何已知物体集合的特性不匹配。

需要注意的一个有趣特性——或许这是个重要线索——是这些天体并不完全等同于我们所说的点源，而是天文学家所称的类点源。理论上，在任何望远镜中（包括詹姆斯韦布空间望远镜），我们都确切知道探测器会如何呈现一个完美的点源。尽管你可能会这么想，但它并不会只占据探测器上的单个像素。相反，它会产生一种被称为点扩散函数的信号，这种信号取决于相关望远镜的具体光学系统，以及探测器的设计、效率和吞吐量。

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的点扩散函数，正如一份早期文档所预测的那样。其六边形（非圆形）主镜由18块拼接的六边形镜片组成，镜片间各有约4毫米的间隙，再加上支撑副镜的三根支柱——这几个因素共同作用，使得JWST拍摄的明亮点源周围不可避免地出现一系列衍射尖峰。这种图案被许多JWST仪器科学家亲切地称为噩梦雪花。图片来源：RB马基顿、S卡塞塔诺、C考克斯及R范德马雷尔，空间望远镜科学研究所美国国家航空航天局大学天文研究协会。

对于JWST而言，其点扩散函数已得到充分研究和量化。起初，天文学家们曾对该形状的模样感到恐惧，并称其为噩梦雪花。不过，随着我们对JWST进行校准并日益熟悉其生成的图像，这种雪花形状开始展现出独特的美感；即使通过JWST观测，那些真正表现为点源的遥远点源也得到了充分理解。关键在于了解单个点源的能量（或亮度）会如何溢出到周围像素中，然后将这种能量分布作为角距离的函数绘制出来。

这些物体之所以被称为类点源而非点源，是因为它们与真正点源的理想化点扩散函数并不完全匹配。具体而言，它们在三个关键方面存在差异：

它们非常接近点源，但关于它们有一些方面与理想的点源不同。

这段图表系列展示了目前已识别的8个鸭嘴兽天体中，光和能量随距识别源中心像素数变化的分布情况。虚线表示真实点源的预期外观；同时展示了实际数据（灰色）及其最佳拟合线（黑色）以作对比。平均而言，它们与真实点源的差异为1020%，这使得它们呈类点状，但与真实点源并不完全相同。来源：2509.12177

那么，所有这些意味着什么，或者至少暗示了什么呢？如果我们问如果它不是我们目前所考虑过的任何一种点状候选天体，那会怎样？就会出现一种极有说服力的可能性。换句话说，如果它既不是恒星，也不是类星体，更不是活动星系核，那会怎样？还有什么其他值得考虑的可能性吗？

早些时候，我们提出了这些鸭嘴兽天体实际上是遥远星系的可能性，但我们排除了这种可能性，因为星系往往是延展天体。然而，这些天体看起来呈点状，这似乎与它们可能是星系的观点相矛盾。

但如果它们真的是星系呢？要知道，在数十亿年过去、其中已经历经了多代恒星的形成之后，我们仍然清楚，必定曾有那么一个时期，我们如今所见的成熟星系首次开始形成恒星。然而，从我们的本星系群到太空望远镜所观测到的最遥远之处，我们连一个由原始物质构成、或是正在首次形成恒星的星系的例子都找不到。这些鸭嘴兽天体不可能是那些原始星系（因为其中的气体富含重元素，这表明其中曾存在过前代恒星），但它们或许是星系演化过程中的下一个阶段。

这张图像展示了星系的光谱能量是如何分布的。 美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）、丹毛兹（以色列特拉维夫大学及美国哥伦比亚大学）

我们尚未研究的一个有趣证据是这些天体的光谱能量分布。虽然这个名字——光谱能量分布——听起来可能有点吓人，但它其实就是指一个天体的能量如何随波长分布：紫外线、蓝光、绿光、黄光、红光和红外线，其细致程度取决于你的仪器组所能达到的水平。当我们观察这九个鸭嘴兽天体的光谱能量分布时，其中一个与活动星系核（AGN）的特征一致，而另外八个都与星系常见的已知光谱能量分布特征相符。

那么它们会是星系吗？这种可能性并未被排除，但同样地，如果它们是星系，那这些星系的特性与我们如今熟知的常见星系有所不同。具体而言，它们必须是具备以下特征的星系：

极年轻的恒星群体，它们在我们观测到它们之前仅12亿年才开始形成恒星， 质量相对较低，恒星质量仅相当于约3亿颗恒星（与小麦哲伦云的恒星质量相当）， 确实正在形成恒星，但速度并非极快（每年形成略少于2个太阳质量的新恒星）， 并且重元素丰度远低于银河系，氧丰度为我们在本地观测到的16%50%。

这张图像展示了迄今为止由JWST在遥远宇宙中发现的341个已确认的小红点星系中的15个。这些星系都具有相似的特征，但仅存在于宇宙历史的极早期；目前尚未发现附近或晚期宇宙中有此类星系的例子。它们都相当大质量，但有些结构紧凑，有些则较为延展，部分显示出活动星系核（AGN）活动的迹象，而另一些则没有。与鸭嘴兽天体类似，它们没有可分辨的星系宿主，但与鸭嘴兽天体不同的是，它们与星系的光谱能量密度不匹配。来源：相关研究论文（arXiv编号2404.03576）

如果这些鸭嘴兽天体最终被证实是星系，那么它们必然代表着一类全新的星系：非常年轻的天体，在从一个极其致密的核心开始形成过程之后，直到现在才刚刚开始成长。这并非不可能，因为星系首次形成所涉及的主要理论情景之一，就是一大团物质经历整体坍缩，形成最初几代恒星的演化过程。然而，这一情景尚未得到数据的验证。因此，如果这些鸭嘴兽天体代表着一种新型星系，那么它们确实将是已知的此类星系中的首例。

诚然，这些鸭嘴兽天体的本质，以及它们究竟是一种新型的窄线类星体、一种新型的低光度、无宿主活动星系核，还是一种新型的致密、近期形成的星系（或者完全是其他类型的天体），目前仍不明确。正如我们常说的，科学上的新发现往往并非是高呼我发现了，而是惊叹真奇怪。无论这些鸭嘴兽天体的真实本质最终是什么，当我们将它们与已知且已被理解的任何类似天体进行对比时，它们看起来确实十分怪异。

这张小麦哲伦云的红外图像（距离我们仅19.9万光年）突出了多种特征，包括新形成的恒星、冷气体，以及（在绿色区域中）非常引人注目的多环芳烃的存在。NASAJPL加州理工学院

更深层的成像和更高分辨率的光谱学，覆盖比我们迄今为止对这些鸭嘴兽星系探测过的更广泛的波长范围，能够为解读它们的本质提供关键见解，并使我们能比这些早期研究所揭示的更深入地了解它们。

或许也值得回忆一下鸭嘴兽最初被认知的故事——它曾被视为一种由各种本不该共存的特征拼凑而成的神话生物。然而，后续的科学研究表明，它们属于一类罕见但重要的哺乳动物——单孔目动物，其中包括四种针鼹。此外，化石记录证明古代曾存在大量有毒哺乳动物，鸭嘴兽可能是现存的少数幸存者之一。另外，可追溯至白垩纪的化石记录显示，鸭嘴兽科（Ornithorhynchidae）有着超过9500万年的悠久历史。正是因为我们如今所知的鸭嘴兽是该科现存的唯一物种，才让它在我们眼中显得如此怪异和陌生。

也许有一天，甚至可能就在不久的将来，我们会弄明白这些天文界的鸭嘴兽，并获取所需的新数据来真正确定它们的本质。目前，我们知道它们不是骗局，但它们的最终起源仍然是个谜。

相关知识

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）是由美国国家航空航天局、欧洲空间局与加拿大空间局联合研发的红外空间望远镜，于2021年发射升空。它旨在观测宇宙早期形成的星系、恒星及行星系统的诞生过程，帮助人类探索宇宙起源与生命演化的奥秘，是当前全球最先进的空间观测设备之一。

BY: Ethan Siegel

FY: AI

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选文：天文志愿文章组-

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终审：天文志愿文章组-零度星系

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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://bigthink.com/starts-with-a-bang/jwst-nine-objects-platypus/

本文由AI翻译自文章作者Ethan Siegel的作品，如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除。

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