## 詹姆斯韦布空间望远镜证明黑洞确实先于星系形成

这是宇宙中终极的先有鸡还是先有蛋的问题：是星系先出现，还是黑洞先出现？一个小红点证明了答案。

这张图片展示了星系团阿贝尔2744，其中被称为类星体（QSO）的小红点天体在高亮框中出现了三次。

对这些图像的研究揭示了一个质量为5000万倍太阳质量的中央黑洞，其周围环绕着1300光年范围的仅轻微富集的气体，这些气体围绕中心旋转，仿佛中央质量是唯一值得关注的质量。

图片来源：A.Pagan

我们如今观测到的每个星系中心都存在一个超大质量黑洞，其质量是太阳的数百万甚至数十亿倍。

不过星系内部也有数百万、数十亿乃至数万亿颗恒星。

尽管它们共同演化，但天体物理学家长期以来一直在思考一个宇宙版的经典先有鸡还是先有蛋问题：是先有星系，还是先有黑洞？ 在詹姆斯韦伯太空望远镜的深空视场中，一个被三重引力透镜效应放大的小红点揭示了一个质量为4000万太阳质量的黑洞的存在——它周围有气体，但没有恒星或暗物质的迹象。

这终于回答了那个问题。

在宇宙中，无论我们朝哪个方向看、看哪个距离，都会发现同样的现象——那里布满了恒星，而且它们的核心都存在一个超大质量黑洞。

长期以来，科学家们不仅想知道这些超大质量黑洞来自何处，还想知道它们在宇宙历史早期是如何变得如此巨大的，以及它们是形成于星系自身的恒星之前、与恒星同期形成，还是仅在之后形成：即由那些早期诞生、燃尽燃料并死亡的恒星残骸形成。

尽管在詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）时代我们确实获得了各种各样的线索，但对于星系中心的超大质量黑洞和围绕它们旋转的恒星谁先形成这一先有鸡还是先有蛋的重大问题，迄今为止仍没有明确答案。

但随着在阿贝尔2744星系团背景中一项全新发现的出现，这一切似乎发生了改变。

通过JWST使用多种滤镜并经过长时间深度成像，在背景中发现了一个不可思议的物体：一个被引力透镜效应扭曲、放大的小红点，在图像中以三种不同的形态出现。

这些观测利用来自大爆炸后仅7亿年的光，不仅能测量该黑洞的质量（高达惊人的5000万倍太阳质量），还能测量其周围物质的旋转行为和化学丰度。

这为超大质量黑洞先于其周围星系中的恒星形成且独立于这些恒星形成的观点提供了迄今为止最有力的证据——这是一个具有宇宙意义的迷人结论。

这幅三幅面板的图像展示了梅西耶87的扩展射电辐射（左上角）、哈勃拍摄的喷流光学图像（右上角），以及利用甚长基线技术拍摄的黑洞附近区域的射电图像——该区域的射电辐射被磁场清晰准直，其中较高的射电能量以红色显示。

这个星系中心的黑洞质量约为65亿个太阳质量，而星系内恒星的总质量约为2.4万亿个太阳质量，两者之比约为11000。

图片来源：NRAONSF；

NASA及JohnBiretta（STScIJHU）；

NRAOAUI

当我们观测近邻宇宙时，会看到大量巨大的星系，银河系和我们最近的大型邻居仙女座星系就是螺旋星系的两个绝佳例子。

虽然星系的总质量主要由暗物质、气体和恒星组成，但每个星系的中心也存在一个巨大的超大质量黑洞。

然而，我们银河系的超大质量黑洞——人马座A——质量仅约为430万倍太阳质量，仅占恒星总质量的0.001%。

已知其他星系的黑洞质量可达数十亿甚至数百亿倍太阳质量，约占其恒星总质量的千分之一。

然而，我们所看到的邻近星系代表了如今的宇宙：经过了138亿年的演化。

这些星系中形成的大多数恒星是在大爆炸后20亿到70亿年间形成的，这一点我们通过测量整个宇宙历史中的恒星形成率得知。

然而，我们早已观测到来自更早宇宙时期的遥远星系和类星体——即宇宙历史的最初10亿年——其中心的超大质量黑洞已经成长到10亿个太阳质量甚至更大。

这些黑洞是如何在如此早期就变得如此巨大的？这一谜团从此一直困扰着该领域。

如果在宇宙仅1亿岁时从一个初始的种子黑洞开始，它的增长速度存在一个限制：爱丁顿极限。

如果数万倍太阳质量的种子在早期出现，且这些超大质量黑洞（SMBH）种子此后快速增长，那么这可能终究与观测结果没有冲突。

理论上，有三种主要的场景可以解释这些超大质量黑洞是如何形成的。

问题在于，为了形成我们在早期宇宙中观测到的超大质量黑洞，第一种方案行不通；

黑洞种子的质量太小了。

这张超级计算机模拟的片段展示了两股汇聚的冷气流之间超过100万年的宇宙演化过程。

在这个短暂的时期内，也就是大爆炸后仅略超过1亿年时，物质团块在最密集的区域形成了每颗包含数万个太阳质量的单个恒星，并且可能形成估计约40000个太阳质量的直接坍缩黑洞。

这可能为宇宙中最早、最巨大的黑洞提供所需的种子，也为恒星形成和星系结构的发展提供最早的种子。

来源：M.A.Latif等人，《自然》杂志。

不过，如果黑洞的形成独立于恒星，而非来自恒星的残骸，那么不仅能在宇宙早期获得更大的黑洞种子，而且可以预期，在早期，黑洞质量与恒星质量的比值会远大于我们如今看到的千分之一。

超大质量黑洞的存在——其比值可能达到1100、110甚至11——会严重不利于关于这些超大质量黑洞形成的最简单、最保守的场景：即它们仅在恒星生灭的余波中形成的场景。

我们确实了解到这样一个情况——首个具有11比例的系统，其拥有的黑洞曾被认为是已知宇宙中最超大质量的黑洞。

这表明，在某种情况下，至少有一个大质量黑洞的形成早于特定星系内的恒星，且独立于这些恒星。

观测结果表明，黑洞与恒星的质量比并非约110或1100，这意味着需要质量更大的种子黑洞才能解释观测现象。

这对超大质量黑洞的种子及其起源具有重要意义，表明存在一种重种子形成机制。

来源：F.Pacucci等人，《天体物理学杂志通讯》

这就把我们带到了当下。

我们真正想做的是找到一个早期的系统，其中活跃星系内的超大质量黑洞是侧对着我们的，而不是正对着我们。

如果这个星系不是完全正对着我们，那么至少在我们的望远镜足够先进的情况下，我们就能测量它的旋转。

对于宇宙早期的星系来说，即使是JWST也不是足够大、分辨率足够高的望远镜来做到这一点——至少在正常情况下是这样。

不过，如果这个早期活跃星系位于一个居间大质量天体（比如星系团）的后方，但在视线方向上，那么它的光可能会被弯曲、拉伸和放大。

如果配置恰到好处，这或许能让我们不仅能高精度地测量中心黑洞的属性，还能测量黑洞周围气态物质的属性。

几年来，这一直只是个希望。

但一个新发现的天体Abell2744−QSO1（简称QSO1）首次让这个希望成为了现实。

这张图片展示了詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的近红外相机（NIRCam）拍摄的广阔星系团阿贝尔2744（又称潘多拉星系团）的视图，图中有三个标记为A、B、C的嵌入框。

这些框中都包含同一背景天体阿贝尔2744QSO1的引力透镜图像，该天体的图像因引力透镜效应被不同程度地放大、延迟和扭曲。

QSO1的直径约为1300光年，其光线到达我们这里时，宇宙才仅仅7.5亿年的历史。

图片来源：A.Pagan

在两篇系列论文中，这个小型星系被发现位于标志性星系团Abell2744的后方，其角大小比实际物理大小所应呈现的要大得多。

这意味着在詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）看来，它不只是一个单一像素，而是呈现出延伸状态，其光线在JWST的探测器上分布在多个像素中。

这为开展一种前所未有的科学形式提供了绝佳机会。

最重要的是，这意味着无需依赖代理指标来估算黑洞的质量，现在可以使用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）上的设备直接测定黑洞的质量。

你可以通过使用JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）上的积分场单元，测量周围气体相对于黑洞本身的运动来实现这一点。

根据气体在距离中心黑洞不同距离处的旋转方式，你可以构建一条旋转曲线，从而估算黑洞的总质量，并确定其质量是表现为点源，还是呈现出扩展分布。

这张来自JWST近红外相机（NIRCam）的星系Abell2744QSO1的详细图像，其右侧面板叠加了该星系周围物质的推测气体速度。

橙色物质正远离我们，蓝色物质正朝向我们。

数据显示其旋转符合开普勒定律：仿佛几乎所有质量都集中在中心的一个点上。

图片来源：A.Pagan

由IgnasJuodžbalis和RobertoMaiolino分别领导的两篇论文，基于对气体相对于星系中心核的相对运动的观测，成功构建了一个旋转剖面，这使得他们能够确定中心天体的质量，以及该质量是全部集中在中心还是分布在整个星系中。

天体QSO1本身的直径仅为1300光年，但研究显示其中心核的质量约为5000万倍太阳质量（与最初4000万倍太阳质量的估计值相当接近），且几乎所有质量都集中在中心核心区域。

通过结合对星系QSO1靠近中心黑洞部分的光谱天文学研究，以及对更远距离处旋转气体的运动学观测，天文学家得以绘制出该星系内部500光年范围内的旋转曲线，结果显示几乎所有质量都集中在中心区域，而在其周围的盘状结构或光晕中几乎没有质量存在。

来源：I.Juodžbalis等人，《自然》，2026年。

这一点本身就很值得注意。

它告诉我们，这个星系在宇宙极早期确实存在一个大型的超大质量黑洞。

事实上，它的光线到达我们这里时的红移值为z7.04，这意味着它形成于大爆炸后仅7.5亿年。

研究作者发现，当远离星系中心时，星系中心周围气体的运动速度在短距离内非常高，但下降得很快——这强烈表明该区域不存在大量恒星、气体或暗物质。

这也告诉我们，我们的间接质量估算——这些估算是通过在如此遥远距离下应用尚未得到证实的方法得出的——实际上应该是有效的，至少在某些情况下（比如这里的QSO1案例）是如此。

研究合著者弗朗西斯科德尤金尼奥表示：

此前，所有关于早期宇宙中黑洞质量的测量都是间接的，基于我们对本地宇宙中黑洞的了解所做的假设。

我们不知道这些假设是否真的适用于遥远的宇宙。

但现在，我们知道它们不仅适用，而且还指向一个主导着该星系质量和发出光线的中心黑洞。

这张图显示了双电离氧与被称为Hβ的巴尔末发射线的信号强度比（纵轴），以及与推断的金属丰度的拟合关系（横轴）。

尽管正如预期的那样，在距离QSO1星系中心更远的地方金属丰度略低，但从上图推断出的极低整体金属丰度——仅为太阳金属丰度的0.4%——是极低的，这表明该星系总体上几乎没有经历过多少恒星形成。

来源：R.Maiolino等人，近期发表于《皇家天文学会月报》

此外，研究人员能够利用他们的光谱观测来寻找气体中重元素的存在，这些重元素包括氧、碳、氖、氮、铁以及其他多种元素。

通过比较某一天体物质库的重元素含量（或金属丰度）与我们太阳和太阳系的重元素含量，我们可以了解该天体内部已经发生的恒星形成活动的累积总量。

他们发现了极低的金属丰度：仅约为太阳中重元素总占比的0.4%。

这表明此前累积的恒星形成活动水平很低，并且——首次发现——整个星系的黑洞质量与恒星质量之比大于11，即中心黑洞本身的质量超过了其周围星系中所有恒星的总质量。

尽管单个恒星无法被测量或分辨，但作者明确指出，实际上根本不存在大量恒星质量成分的空间。

他们推断，该黑洞的质量至少是整个星系所有恒星质量的两倍（可能更多），并将其解释为处于生长和吸积早期阶段的大质量黑洞种子。

这幅图展示了不同星系中心超大质量黑洞的质量（y轴）与其所在星系的恒星质量（x轴）之间的关系。

新发现的天体QSO1用红色星号标出：它是迄今为止在整个宇宙中发现的质量最大的黑洞。

来源：I.Juodžbalis等人，《自然》

总之，这是迄今为止最有力的线索，表明黑洞而非恒星不仅主导着早期星系的质量，还主导着遥远宇宙中这些小红点发出的光。

这指向黑洞是早期星系中黑洞与恒星谁先形成这一问题的答案。

而且它为我们提供了迄今为止最典型的超大质量黑洞案例——该星系恒星稀少、质量不大，且化学丰度极低。

然而，我们仍然未知的东西还有很多。

我们不知道QSO1是否是我们目前发现的大多数甚至所有小红点和早期星系的原型，还是说它只是星系形成与演化过程中的一个例子——或许并非典型例子。

我们不清楚该天体的恒星质量和恒星族群情况：其内部恒星如何分布，以及它们何时形成。

而或许最重要的是，我们不知道这个黑洞是源于无新物理机制的场景（比如汇聚的冷气流直接坍缩），还是源于涉及奇异事物的场景（比如原初黑洞，或者甚至更奇特的东西）。

一如既往，无论我们在科学上取得了多大进展，总有更远的路要走。

愿我们继续投入，以唯一曾经成功过的方式去探寻所有宇宙真理中最伟大的那些：通过用定量的方式向宇宙询问关于它自身的问题。

科学与技术天文学宇宙学黑洞星系形成

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BY: Ethan Siegel

FY: AI

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