星系和黑洞，哪个先出现？

星系和黑洞，哪个先出现？几十年来，标准答案一直是——不确定，但有可能是星系先出现。因为在一个已经形成的星系中，大质量恒星会耗尽自身燃料，随后坍缩成黑洞；黑洞又可以吞噬周围物质，并随着时间推移相互并合，逐渐成长为质量更大的天体。

问题是，天文学家已经在早期宇宙中发现了数千个质量达到太阳的数百万倍乃至数十亿倍的黑洞。若它们真的起源于更小的“种子”，那要如何解释它们是怎么能在如此短的宇宙时间尺度内，迅速成长到如此巨大的？

现在，一个国际研究团队利用韦布空间望远镜（JWST）捕捉到了清晰的观测证据，表明有些超大质量黑洞可能从一开始就非常巨大，它们的形成并未经历恒星坍缩阶段，也不需要一个质量远大于自身的宿主星系来为其提供“养料”。研究人员将这一结果以两篇论文的形式发表在《自然》和《皇家天文学会月刊》上。

“小红点”QSO1

研究人员之所以得出这一结论，是基于对Abell2744-QSO1（简称QSO1）的详细观测。QSO1最早是在JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）中被发现的，它形态紧凑，具有“小红点”天体的典型特征。

JWST拍摄的“小红点”Abell2744-QSO1。它受到Abell 2744星系团的引力透镜作用，被放大并形成三个影像。（图/NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)）

尽管QSO1距离我们超过130亿光年，直径也只有约1300光年，但它比大多数其他“小红点”更容易研究。这是因为它受到Abell 2744星系团的强引力透镜作用影响。在这种效应下，QSO1不仅被放大，还形成了三重影像，在天空中的三个不同位置同时显现出来。

初步的观测结果显示，QSO1中存在一个正在吸积物质的黑洞，周围环绕着由发光的氢气和氦气组成的气体云。此前估计，这一黑洞的质量约为太阳的4000万倍。

不过，与JWST发现的其他早期黑洞一样，天文学家仍不确定它是否真的有这么大的质量。这是因为，这一估算结果依赖于一个基于近域宇宙中的黑洞性质所建立起来的假设，而天文学家并不确定这一假设在遥远宇宙中是否仍然适用。

绘制气体成分与速度图

这一次，研究团队意识到，如果QSO1中的黑洞确实像看起来那样巨大，那么他们应该可以利用NIRSpec上的集成视场单元（IFU）来追踪黑洞引力对周围旋转气体的影响，同时绘制出气体中不同元素的分布图。

利用IFU的观测结果，他们绘制了黑洞周围氢气的运动图。当他们绘制径向速度随中心距离的变化时，发现这些气体呈现出开普勒自转，即它们围绕一个中心点运行，就像太阳系中的行星围绕太阳运行一样。这一点非常重要，因为它意味着，QSO1中的大部分质量都集中在中心黑洞之中，如果质量分布得更分散，比如其中包含大量恒星，那么气体就不会表现出如此完美的开普勒自转。

左图为JWST的NIRCam拍摄的局部图像，显示了“小红点”Abell2744-QSO1；右图为利用NIRSpec的IFU绘制的QSO1气体速度图，显示其中心存在一个约5000万太阳质量的黑洞。（图/NASA, ESA, CSA, Ignas Juodžbalis (Cambridge), Cosimo Marconcini (University of Florence), Roberto Maiolino (Cambridge), Francesco D'Eugenio (Cambridge), Hannah Übler (MPE); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)）

由于开普勒运动受基本引力定律支配，因此研究人员得以利用气体速度的测量结果来直接计算黑洞的质量。这是此前从未实现过的测量。结果表明，这个黑洞质量非常巨大——约为5000万个太阳质量，占据了QSO1总质量的2/3。这个比例比近邻星系中的情况高出数千倍，在近邻星系中，超大质量黑洞通常只占宿主星系总质量中极小的一部分。

此外，从IFU获得的成分分布图也支持这一结果。它显示，QSO1中的气体几乎完全由氢和氦组成，几乎没有氧等较重元素。在一个富含恒星和恒星残骸的星系中，理应看到更多重元素。QSO1的金属丰度不到太阳的0.5%，是迄今测量到的最接近原初状态的星系环境之一。

这是人类首次在大爆炸后的最初10亿年内，直接测量一个黑洞的质量。而且它与此前的测量结果一致。研究团队认为，这是一个积极信号——它表明，那些用于间接测量质量的假设可能是有效的，早期宇宙中其他黑洞的质量或许并没有被高估。

超大质量黑洞的起源

相对于其宿主星系而言，QSO1中黑洞的质量大得异常。这表明，它不太可能是由许多更小的恒星级黑洞通过并合和吞噬物质逐步成长而来的。这意味着，研究人员发现的是一个没有巨大的宿主星系、并且早于恒星过程形成的黑洞。

这是一个非凡的发现，因为它为原初黑洞或直接坍缩而成的黑洞提供了证据。此前这些对象只存在于理论设想中，尚未得到确认。这相当于对黑洞如何形成和成长的经典图景进行了一次全面的重新审视。

无论QSO1的黑洞是由大爆炸后第一秒内形成的“初始质量很大的黑洞种子”演化而来，还是在稍晚些时候由一团巨大气体云直接坍缩而成，可以肯定的是——它几乎一出生就很大，并且可能正处于一个在它周围塑造一个星系的早期阶段。

研究团队认为，像QSO1这样的“小红点”在早期宇宙中可能不是罕见的。目前，他们正在研究更多类似天体，试图回答一个更大的问题：这些超大质量黑洞，是否真的可能比它们如今所在的星系更早诞生？

#参考来源：

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4

https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109

#图片来源：

封面图&首图：NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)