“宇宙黎明”先有“鸡”还是先有“蛋”？|“小红点”之谜新进展

在宇宙诞生不到十亿年时，“小红点”Abell 2744–QSO1已经出现在韦布空间望远镜的视野中。它看上去只是一个遥远而微弱的红色光点，内部却藏着一个近乎“赤裸”的大质量黑洞。这个早得令人意外的天体，正在改写我们对早期黑洞和星系形成顺序的理解。

一群“红色的小点”

宇宙最早期的天体很暗，光经过漫长旅途，又会被宇宙膨胀拉向红端，落进红外波段——这一段，地面望远镜看不到，哈勃也看不清。2021年底升空的韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST），正是为这一波段而生。它很快把人类的视线推到大爆炸之后短短数亿年的“宇宙黎明”——也就是天文学家常说的“高红移”区域。所谓红移，简单说就是光波长被宇宙膨胀拉长的程度：红移数值越大，天体越远、所处的宇宙年代也越早。

图1哈勃空间望远镜、韦布空间望远镜与地面望远镜的探测能力对比。哈勃擅长紫外和可见光观测，而韦布主要工作在近红外到中红外波段，因而更适合捕捉那些因宇宙膨胀而变得“偏红”的早期宇宙天体。

然后，问题来了。预想中那个稚嫩的早期宇宙并没有出现——星系比预期更成熟，黑洞也似乎更早长大。其中最让天文学家困惑的，是一类在深场图像中看起来很不起眼的天体：它们极其致密，看不出旋臂或盘面，往往只是一个个红色的小点

JWST 升空后，这类紧致、偏红的高红移天体陆续出现在 CEERS、JADES、PRIMER、NGDEEP 等多个深场巡天的数据中。

图2韦布望远镜拍下的六颗小红点。每幅画面中央的红色斑点都是一颗高红移天体，红移范围从 4.75 到 8.92，对应宇宙诞生之后约 12.6 亿到 5.9 亿年时的样子。这一族群的共同特征：致密、偏红、数量惊人。版权 / NASA/ESA/CSA/STScI/Colby College/Kocevski

2023年，苏黎世联邦理工学院助理教授约里特·马蒂等人基于EIGER（“再电离时代发射线星系与星系际气体”巡天）和FRESCO（“首次再电离时代光谱完备观测”巡天）两个 JWST 巡天项目的数据，系统识别出其中一批具有宽Hα发射线的微弱活动星系核，并将它们形象地称为“小红点”（Little Red Dots，LRD）。这项工作于2024年正式发表后，“小红点”很快成为早期宇宙研究中的一个焦点。

麻烦从光谱开始。把一个小红点的光按波长展开，曲线呈现奇怪的“V”字形：紫外端偏蓝，光学端偏红，单纯的恒星集团或普通星系都很难画出这样的曲线。更重要的是，许多小红点的氢发射线，尤其是Hα线明显“变宽”。在高红移宽线活动星系核中，小红点甚至占到相当可观的比例。它们究竟是早期宇宙中一类特殊星系，还是被黑洞点亮的年轻系统？问题由此出现。

图3“小红点”的光谱常呈现特殊的“V形”连续谱。紫外端偏蓝，光学端偏红，难以用普通恒星形成星系单独解释。

是黑洞，还是别的什么？

宽的氢发射线，通常被看作活动星系核（active galactic nuclei，AGN）的标志。所谓活动星系核，就是星系中心的超大质量黑洞正在吸积物质：气体被黑洞引力牵引，旋转着向内落去，在途中被加热并发光。靠近黑洞的气体速度极快，可达每秒几千千米，不同方向的运动会把同一条谱线“拉宽”；离黑洞较远、运动更慢的气体，则会产生较窄的谱线。

天文学家据此建立了“维里关系”：只要测出宽线的宽度和亮度，就可以估算中心黑洞的质量。把这套方法用在小红点上，结果往往很惊人——黑洞动辄达到上千万倍太阳质量，和它们娇小的外观很不相称。

但问题也正在这里：维里关系是在近邻宇宙中校准出来的，能否直接应用于红移约为7、宇宙年龄不足十亿年的极端环境里？近两年，有研究提出另一种解释：小红点的宽线也许并非来自气体真实的高速运动，而是来自致密电离气体中的电子散射。电子像一面起雾的玻璃，把原本较窄的谱线“涂抹”开来。如果这种“电子散射茧”模型成立，那么维里关系给出的黑洞质量可能被高估了很多。另一些模型则认为，小红点可能处于超爱丁顿吸积，或者处在更复杂的早期演化阶段。

更让人犹豫的是X射线。物质落向黑洞时通常会发出强烈X射线，这几乎是活动星系核的“指纹”。可是许多小红点在X射线波段异常安静。它们是被厚厚气体包裹住了，还是根本没有正常吸积的黑洞？到 2025 年前后，争论的核心已经很清楚：宽线背后，到底有没有一个真实而巨大的黑洞？要回答这个问题，最好的办法是绕开宽线估算，直接用引力动力学去测量黑洞的重量。

QSO1：一次被引力透镜垂青的机会

这样的机会来自Abell 2744–QSO1（下文简称 QSO1）。完成这次关键测量的是剑桥大学卡维利宇宙学研究所的博士研究生伊格纳斯·尤奥兹巴利斯领衔的国际团队，团队中也包括早期黑洞研究领域的权威专家、剑桥大学教授罗伯托·马约利诺。这项研究于2026年5月27日在线发表于Nature。

QSO1 的特别之处，在于它正好位于大型星系团 Abell 2744 的后方。这个星系团又被称为“潘多拉星系团”，它巨大的质量像一面天然透镜，把 QSO1 的光线弯曲、放大，并在天空中形成三个像。引力透镜不仅让 QSO1 变亮约 6 倍，还把它沿一个方向拉伸约 3.5 倍。对一个本来极其致密、遥远的天体来说，这相当于免费得到了一台“宇宙放大镜”。

图4小红点Abell 2744–QSO1的三重身影。前景的大型星系团Abell 2744（潘多拉星系团）扮演了一面天然透镜，将位于其后方、红移 7.04 处的小红点的光线弯曲、放大，在天空中投射出三个分立的像。版权 /NASA/ESA/CSA/Ben-Gurion University/Furtak/STScI/Pagan

研究团队使用JWST近红外光谱仪（Near Infrared Spectrograph，NIRSpec）的积分视场单元（Integral Field Unit，IFU）模式，对 QSO1 做了长达 7.3 小时的曝光。这种模式不只获得一条光谱，而是能得到视场中每个小区域的光谱，因此可以绘制气体在不同位置上的运动图像。QSO1 的红移为 7.04，对应的是宇宙大爆炸之后约 7.7亿年（假设H0=69.6 km/s/Mpc，ΩM=0.286，ΩΛ=0.714）。换句话说，我们看到的是一个极早期宇宙中的小红点。

怎样“称量”一个看不见的黑洞

黑洞本身看不见，但它如何影响周围气体的运动，是可以测量的。基本思路并不复杂：气体绕中心转得越快、离中心越近，说明中心引力越强，质量也越大。

研究团队重点分析的是窄Hα发射线。窄线来自离中心稍远、运动相对温和的气体，更适合追踪整体引力场。在QSO1的速度图中，团队看到一侧气体朝向我们运动，另一侧背离我们，幅度约每秒10千米。这是一个清楚的旋转信号。

图5QSO1 内部气体的视向速度图。左：QSO1A（三个像中最亮的一个）的近红外放大图，标尺为1角秒；右：用 JWST 近红外光谱仪（NIRSpec）的积分视场单元（IFU）逐像元测得的氢气视向速度图。颜色从蓝色到橙色，分别对应朝我们运动和背离我们的气体；上下两半鲜明的"红蓝分色"，是绕一个中心点高速旋转的明确信号。研究团队据此推断中心藏着一个约五千万倍太阳质量的黑洞。版权/ NASA/ESA/CSA/Furtak

难点在于最靠近中心的区域太小，常规分辨率已经不够。团队因此使用了“光谱天体测量法”：即使一个光源不能被直接分辨，我们仍可非常精确地测出它在不同速度通道中的光心位置。把外侧的速度场和内侧的光心位移拼接起来，就能得到一条旋转曲线（见图6）。

图6利用韦布空间望远镜近红外光谱仪获得了QSO1中心区域不同位置上的光谱信息。通过窄Hα线的速度分布，他们看到气体一侧朝向我们运动，另一侧远离我们，呈现旋转特征，并推算出QSO1中心黑洞的质量约为5000万倍太阳质量。

结果很关键：QSO1的气体速度在靠近中心时迅速升高，向外又明显回落。这种“陡升陡降”的开普勒式旋转，正是质量高度集中时才会出现的形态。一个铺展开来的恒星集团或暗物质结构，很难自然画出这样的曲线。研究团队进一步比较了多种模型，结论仍然指向同一个答案：中心最简单、也最合理的解释，是一个点状的大质量黑洞。

一个近乎“赤裸”的黑洞

综合所有分析，QSO1 的中心黑洞质量约为五千万倍太阳质量。这是高红移小红点中，第一次真正意义上基于引力动力学完成的直接称量。

五千万倍太阳质量是什么概念？银河系中心黑洞人马座A*约为400万倍太阳质量；事件视界望远镜（Event Horizon Telescope，EHT）拍到的M87中心黑洞约为 65亿倍太阳质量。QSO1的黑洞介于二者之间，质量本身并不夸张。真正异常的是它出现得太早：那时宇宙才大约 7.7 亿岁，只走过今天年龄的约 5.5%。

这个结果首先说明，至少对QSO1而言，宽线确实对应着一个真实的大质量黑洞。此前用维里关系估算出的质量，与这次动力学测量高度一致；而把宽线主要归因于电子散射的模型，在QSO1身上反而会把质量低估很多。当然，这并不意味着所有小红点都必须是同一种天体，但它证明：小红点家族中至少存在真正的早期大质量黑洞。

更不寻常的是，这个黑洞周围“几乎什么都没有”。根据旋转曲线限制，QSO1宿主星系的恒星总质量不超过两千万倍太阳质量。也就是说，黑洞本身比它所在星系的全部恒星加起来还要重。在今天的宇宙中，星系中心黑洞通常只占宿主恒星质量的很小一部分，二者像是在漫长岁月中协同长大。可在QSO1中，这种熟悉的比例关系完全被打破了。它因此被称为迄今最“赤裸”的大质量黑洞

图7为什么QSO1被称为“裸黑洞”。在近邻宇宙中，星系中心黑洞的质量通常远小于宿主星系恒星总质量，二者大致遵循协同演化关系。但QSO1却极端反常：其中心黑洞约为5000万倍太阳质量，而宿主星系恒星总质量的上限约为2000万倍太阳质量。也就是说，黑洞本身比周围恒星加起来还要重，像是一个几乎没有成熟星系包裹的“裸黑洞”。这一发现暗示，在宇宙早期，某些大质量黑洞可能先于宿主星系快速成长。

“裸黑洞”并不是说黑洞真的没有周围物质，而是说它已经很大，宿主星系却还没有长成。换句话说，在宇宙早期，黑洞和星系之间今天看到的那种“默契”可能尚未建立。

它从哪里来？

QSO1 也把一个老问题重新摆上台面：第一批超大质量黑洞究竟从何而来？如果黑洞种子来自普通大质量恒星死亡后的残骸，初始质量通常只有几十到上百倍太阳质量。要在短短七亿年内长到五千万倍太阳质量，就需要几乎不间断地快速吸积，这在物理上非常困难。

图8三种黑洞"种子"的成长路径。横轴为宇宙年龄，纵轴为黑洞质量。三条曲线分别代表三种主流的种子起源情景：传统的"轻种子"由大质量恒星死亡留下，初始质量约 100 倍太阳质量，需要不间断地极速吸积才能在 约7.7 亿年里长到五千万倍——在物理上极为勉强；"直接坍缩黑洞"由原始气体云整体一步到位地坍缩而成，初始质量已达万倍太阳质量；"原初黑洞"在大爆炸之后极短时间内、由极端密度涨落直接形成。红星标出 QSO1 的位置：宇宙年龄约 7.7 亿岁、黑洞质量约 5 × 10⁷ 倍太阳质量——它落在轻种子方案够不到、而重种子方案能够触及的区域。

因此，QSO1 更像是在支持“重种子”方案。比如，一团原始气体云可能不先碎裂成恒星，而是整体直接坍缩，形成一个上万倍太阳质量的黑洞种子；也可能存在更早形成的原初黑洞，随后通过吸积或并合长大。两种方案都还有难题，但 QSO1 所处环境金属含量极低、近乎原始，这一点至少提示我们：它可能不是从普通恒星黑洞一步步慢慢长大的

这也让“先有黑洞，还是先有星系”这个问题变得更加微妙。在我们熟悉的近邻宇宙中，黑洞和星系像是共同演化的伙伴；可在QSO1这里，黑洞似乎先一步长大，宿主星系反而还没有跟上。

争论还没有结束

当然，QSO1 只是一个被引力透镜格外垂青的个例。正是星系团的放大和拉伸，才让这次精细测量成为可能。对绝大多数没有“宇宙放大镜”帮助的小红点，我们暂时还无法照搬同样的方法。因此，QSO1的结论能否推广到整个小红点族群，还需要更多样本。

其他观测也在给出不同线索。例如，钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）已经在一个“小红点式”天体中探测到X射线信号，说明有些小红点内部确实可能藏着吸积黑洞；与此同时，对另一些小红点光谱的分析仍倾向于电子散射解释。这些结果未必互相矛盾：小红点很可能不是单一类型，而是一个混杂家族

接下来，JWST会继续寻找更多被引力透镜放大的小红点，X射线观测也会帮助判断其中究竟有多少隐藏黑洞。QSO1还没有解决所有问题，却第一次清楚显示：在宇宙很年轻的时候，黑洞可能已经先于星系长大。宇宙黎明中的“小红点”，也许正是理解第一批超大质量黑洞起源的一扇窗口。

作者简介:

苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学教授，《中国国家天文》执行总编，北京天文学会副理事长。主要从事黑洞与引力波等高能天体物理研究，曾参与KAGRA引力波探测器国际合作组相关工作。科研之余，长期致力于科学传播，翻译与创作科普作品数十部，曾获“文津奖”“中国航天科普大使”等荣誉，并担任《流浪地球》系列、《三体》等影视作品科学顾问。

来源：中国国家天文

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