暗物质可能是黑洞？所有星系或镶嵌在巨大黑洞球体中

　　美国宇航局斯皮策空间望远镜拍摄的大熊座天区红外波段图像。

最近，有科学家认为暗物质有可能是由宇宙早期的黑洞组成的，这一理论似乎与红外波段以及X射线波段的宇宙学观测结果相吻合，并且能够解释黑洞合并时的一系列现象

这就是所谓宇宙红外背景（CIB），其中颜色较浅的区域代表更为明亮的区域 　　综合起来考虑，最初一批恒星产生的红外波段辐射以及物质朝着黑洞下降过程中产生的X射线辐射将能够解释钱德拉与斯皮策空间望远镜所观测到的CIB以及CXB斑块不均一信号 　　 北京时间5月26日消息，据英国《每日邮报》报道，暗物质是构成宇宙很大一部分的神秘物质成分。

尽管知之甚少，但科学家们目前倾向于认为它是一种大质量的奇异粒子组成的物质，但关于这一点，我们还没有任何确凿的证据能够予以证明。

　　还有另外一种观点，认为暗物质实际上是在宇宙诞生初期就产生的黑洞组成的，也就是所谓的原初黑洞。

而现在，美国宇航局的科学家们开展的一项研究表明，后一种观点似乎与红外波段以及X射线波段的宇宙学观测结果相吻合，并且能够解释黑洞合并时的一系列现象。

　　美国宇航局戈达德空间飞行中心的天体物理学家亚历山大·卡林斯基（Alexander Kashlinsky）表示："这项研究的主要目的是将目前存在的各类观点和实际观测数据相互验证，看看两者之间是否吻合。

结果我们发现这一理论与观测的吻合度惊人的好。

"他说："如果这一理论最终被证明是正确的，那么所有的星系，包括银河系在内，实际上可能都是镶嵌在一个巨大的黑洞球体包围之中，每一个黑洞的质量都相当于大约30倍太阳质量左右。

" 　　在2005年，卡林斯基率领一个天文学家小组，利用美国宇航局的斯皮策空间望远镜对一个天区的红外波段背景进行了观测。

他们报告称在这一红外背景中观测到一些亮度异常的斑块，他们认为这有可能是130亿年前宇宙诞生初期最早的一批恒星发出的光芒。

后续观测确认，在天空的其他区域同样能够观测到"宇宙红外背景"（CIB）中类似的隐藏结构。

　　大约8年后，另一项研究致力于对美国宇航局钱德拉X射线望远镜的所谓"宇宙X射线背景"（CXB）数据进行分析，并将这一结果与同一天区的CIB红外波段数据进行对比。

　　研究组发现最初一批恒星发出的主要是可见光和紫外光，由于宇宙膨胀，这些光线的波长被拉长，从而变成了红外光，因此应该不会在X射线波段背景中产生重要的影响。

　　然而，低能X射线波段中显示的异常斑块特征与红外波段背景中显示的斑块特征几乎完全相同，而唯一在能级跨度上能够涵盖整个波长范围的已知天体就只有黑洞。

　　因此，研究组得到结论认为，早期宇宙中应当存在着大量原初黑洞，它们贡献了宇宙红外背景中至少1/5的红外辐射源。

　　目前美国宇航局正在对这一问题进行研究，作为阿尔法磁谱仪（AMS）和费米伽马射线空间望远镜的研究对象之一。

　　卡林斯基表示："这些研究正在得到越来越高的灵敏度，逐渐缩小暗物质粒子参数的各项不确定性。

"他说："搜寻暗物质的不成功让我们对暗物质的本质可能就是原初黑洞的猜想产生了愈发浓厚的兴趣。

" 　　物理学家们此前总结出了几条理论，能够解释高温且处于迅速膨胀状态中的早期宇宙如何能够 在宇宙大爆炸之后的数千分之一秒内产生原初黑洞。

而相关理论也显示，宇宙的年龄越老，那么能够形成的黑洞质量就能越大。

但由于能够产生这类黑洞的窗口期持 续时间非常短暂——只有大爆炸之后最初的一瞬间——远远不到一秒钟的时间——因此科学家们认为原初黑洞的质量应该都差不多大，它们相互之间的质量差异会很 小。

　　去年9月14日，一对13亿光年外的黑洞合并过程所产生的引力波信号被设在美国的"激光干涉引力波天文台"（LIGO）观测到。

这一事件标志着人类首次直接探测到引力波信号。

　　这一信号也让LIGO的科学家们得以据此计算出这两个黑洞中单个黑洞成员的质量——结果显示分别为29倍和36倍太阳质量，误差约为±4倍太阳质量。

研究人员们认为这样的黑洞质量实际上大的有些让他们意外，并且两者间的差值也出乎意料地小。

卡林斯基表示："取决于起作用的何种机制，原初黑洞的性质可以与LIGO所探测到的这两个黑洞非常相似。

"他说："如果我们假定事实的确如此，也就是LIGO捕捉到了发生在早期宇宙中两个黑洞的合并信号，那么我们就可以观察，这件事将会对我们有关宇宙最终如何演化的认识产生什么样的影响。

" 　　在今年5月24日发表的一篇最新论文中，卡林斯基分析了如果假定暗物质的本质实际上就是类似LIGO所探测到的那类黑洞的话，事情将会如何发展。

　　黑洞的存在扭曲了早期宇宙中的质量分布，这一结果产生的微小震荡在数亿年之后，当最初一批恒星开始形成时产生了显著的影响。

　　在宇宙诞生之后的最初5亿年内，所谓的"常规物质"的温度仍然太高，因而难以聚集形成最早的恒星。

　　暗物质则不同，它们不会受到高温的影响，因为它基本上只与引力发生作用，与其他因素之间几乎不产生任何影响。

于是，在相互间的引力作用下，暗物质最先开始聚集，并形成所谓的"超小晕"（minihaloes）结构。

这种质量团块提供了一种引力"种子"，让后来的常规物质得以被吸引并附着其上——大量的高温气体开始在引力作用下向着这些超小晕结构聚集，随着温度的下降，这些逐渐聚拢的常规物质发生进一步凝聚和塌缩，第一批的恒星就此诞生了。

　　卡林斯基的工作表明，如果黑洞的确是组成暗物质的重要成分，那么这一过程的发生将会迅速的多，并进而产生在斯皮策望远镜探测到的CIB数据中的那种斑块不均一性特点，即便只有很小一部分的"超小晕"结构最终能够产生恒星，情况也是一样。

　　随着空间中的气体物质向"超小晕"聚集，组成这些"超小晕"的黑洞自然而然的将会吞噬掉其中的一部分气体物质。

　　而物质朝着黑洞盘旋下降的过程将会产生加热并释放X射线。

综合起来考虑，最初一批恒星产生的红外波段辐射以及物质朝着黑洞下降过程中产生的X射线辐射将能够解释钱德拉与斯皮策空间望远镜所观测到的CIB以及CXB斑块不均一信号。

　　偶然的，有些原初黑洞可能会相互运动到比较接近的位置上，从而互相吸引并成为一个相互绕转的双黑洞系统。

这样一个系统将会不断释放引力波信号，在此过程中丢失轨道动能并不断相互接近，最终，两者将会发生合并成为一个质量更大的黑洞，就像LIGO在去年所探测到的那样。

　　卡林斯基表示："未来LIGO的后续观测工作将告诉我们更多有关宇宙中黑洞数量的信息。

相信在不久之后，我们就将能够了解到，关于黑洞与暗物质关系的理论是否是正确的。

"

银河系中心藏着一个黑洞，为什么年轻恒星还敢靠近？

一颗恒星绕着一片黑暗跑，跑到最近的地方，速度能达到每秒几千公里。

它没有撞上一颗更亮的星，也没有突然消失，而是拐过弯，继续绕圈。

天文学家盯着它看了多年，终于算出那片看不见的区域里，挤着相当于四百多万个太阳的质量。

我们所在的银河系，心脏处藏着一个黑洞。

事情到这里，本来已经足够惊人。

但镜头再往周围拉一点，你会发现另一个麻烦：黑洞附近竟然有一群年轻恒星。

那里的引力差异能扯散气体云，按简单的想法，造一颗新星应该很困难。

它们却明晃晃地待在那里。

这个最不适合安家的地方，怎么偏偏住进了一群年轻住户？ 先别急着把飞船开过去。

银河系中心距离我们约两万六千光年，望远镜接收到的光，出发时人类还没有今天的城市。

而且，挡在路上的气体和尘埃很多，用普通可见光去看，就像隔着一层层烟找一盏灯。

肉眼能看见银河横过夜空，却没法直接看清那个最关键的中心。

科学家换了办法：用红外线穿过部分尘埃，再用更大的望远镜、更精细的技术，压低大气扰动带来的模糊。

原来挤成一团的光点，逐渐分出了各自的位置。

隔一段时间拍一次，再把照片连起来，星星就动了。

你以为恒星都钉在天上，只是因为平时离它们太远，看不到这种快进后的舞蹈。

其中一颗著名的恒星叫S2，绕中心一圈大约需要十六年。

它的路线不是一个漂亮的正圆，而是一条很扁的椭圆：远处慢一点，贴近中心时猛然加速，再冲向远处。

我们熟悉的行星也有类似规律，只不过这颗星面前的引力来源，比太阳强得多，而且大部分看不见。

这正是证据最硬的地方。

无需先拍到黑洞，恒星怎么运动，就能帮助我们给中心称重。

轨道的大小、周期和速度合起来，限定了那里必须有多大的质量；多颗恒星的运动又相互印证。

质量这么大，范围又这么小，用一堆普通恒星勉强凑出来，会遇到稳定性和观测上的难题。

2022年，事件视界望远镜合作组织公布了银河系中心黑洞的图像。

它叫人马座A星，名字里的“星”是历史命名的一部分，别把它当成一颗正常发光的恒星。

照片中那个偏橙色的环，也不是黑洞表面被烧红了。

我们看到的是周围炽热物质的辐射，以及强引力作用下形成的亮暗结构。

中间的暗区与黑洞阴影有关。

掉进事件视界以内的光无法再出来，周围的光路还会被弯曲，最后形成我们能接收到的图像。

颜色经过了科学可视化处理，橙色不是它在眼睛里本来就会呈现的样子。

但这不妨碍它成为一张重要的实测图：天文学家终于把恒星轨道和中心附近的影像，对到了一起。

既然它这么重，为什么没有把整个银河系一口吃掉？因为黑洞不会隔着两万多光年，像吸尘器一样把一切吸过去。

远离它的地方，引力仍按距离衰减。

假如把太阳换成一个质量相同的黑洞，地球的轨道并不会因此立刻崩溃，只是阳光没了。

当然，真实的银河系中心黑洞质量远大于太阳。

更重要的是，太阳绕银河系运行，受到的不仅是中心黑洞的引力，还有恒星、气体以及暗物质等共同构成的引力场。

把整座银河理解成一个黑洞牵着所有星星转，会漏掉绝大多数质量。

人马座A星在自己附近非常有统治力，放到整个银河的尺度上，却不能包办所有事情。

现在再回到那些年轻恒星。

麻烦不在于“靠近黑洞的星一定会被吃掉”，稳定轨道上的恒星可以长时间生存。

真正难的是它们怎样形成。

造恒星需要气体聚集，越聚越密，最后塌缩。

但黑洞附近，气体云两端受到的引力可能差很多，一边被拽得更快，一边跟不上，云就容易被拉散。

这有点像你想把一把细沙堆成小塔，桌子却一直从两个方向拉扯。

沙塔不是绝对堆不成，但原先那套轻松的办法，未必还管用。

科学家因此把问题称作银河系中心的“年轻恒星悖论”。

这里的悖论，不是自然违反了物理规律，而是观测给出了结果，我们还得解释过程。

一种思路是，它们可能在较远、比较有利的环境里出生，之后通过动力学过程走近中心。

另一种思路是，足够密集的气体盘在特定条件下，也可能抵抗拉扯并形成恒星。

还有涉及双星的机制：两颗相互绕行的恒星靠近黑洞，可能被拆散，一颗被甩走，另一颗留在紧靠黑洞的轨道上。

这些方案都不能只凭一句“也许”就算过关。

它们要解释恒星的年龄、质量、轨道方向和分布，解释为什么有些星像组成了一张盘，有些星的路线又显得杂乱。

每多测准一条轨道，就多一道必须通过的检查。

不同区域、不同群体，也未必都来自同一条出生路线。

中心附近还有气体、尘埃、磁场和偶尔增强的辐射，并非一片什么都没有的黑色空地。

黑洞吃进去的物质不总是很多，却会发生亮度变化。

想象你隔着很远拍一只不断晃动的动物，每次快门里的细节都变了，就能理解为什么给它做成清晰图像，比拍一个固定目标费劲得多。

恒星的运动，还能让这里变成检验引力理论的现场。

S2接近黑洞时，光谱会出现与强引力和高速运动有关的变化；它的轨道方向也会缓慢转动，画出来像逐次展开的花瓣。

这些观测与广义相对论的预言相符。

看起来奇怪的动作，反而给我们提供了计算能不能对上现实的机会。

所以，听到“银河系中心不对劲”，先别把它理解成那里开了宇宙传送门。

一个看不见的重物、一群不容易解释出生过程的年轻星，再加上快速变化的气体，已经足够让天文学家忙上几十年。

研究里的悬念，可以很大，但不需要拿外星文明或时空裂缝给它加戏。

而且，我们此刻看到的是那个区域很久以前的样子。

这个距离决定了任何新信息都要花很长时间才能抵达。

它不是窗外正在发生的一场爆炸，也没有证据表明中心黑洞即将沿着银河冲向地球。

它让人紧张的，是尺度和环境；让科学家着迷的，是我们真的能把这些东西一点点量出来。

如果未来真能站在一艘安全的观测飞船上，从远处望向那里，最先让你惊讶的未必是黑。

周围的恒星会很拥挤，气体在不同波段下呈现复杂结构，最深处的目标却依然不能直接发光。

危险与热闹挤在同一个地方，恒星还在沿着各自的路线赶路，丝毫没有给我们的直觉留面子。

银河系中心最有意思的秘密，就藏在这种反差里：一个黑洞已经被多条证据确认，一群年轻恒星的来历仍值得追问。

S2每绕完一圈，都替我们补上几笔答案。

夜空里那些看似静止的小点，其实正在最极端的引力场旁边跑。

我们暂时去不了，却已经能听懂它们脚步里的信息。

韦伯看见早期宇宙里的大星系，真的把理论推翻了吗？

如果给一个刚上幼儿园的孩子拍照，照片里却站着一个两米高的成年人，你的第一反应会是什么？年龄记错了，照片认错了，还是他真的长得太快？韦伯望远镜看向早期宇宙时，天文学家遇到了有点相似的麻烦：一些遥远目标，亮得让人怀疑它们是不是来得太早、长得太大。

于是，“宇宙模型错了”“大爆炸被推翻”这样的标题迅速出现。

一张深空照片，仿佛把几代人的理论同时掀了桌。

可是，如果你把那些小小的红色亮点放大，最关键的问题才刚开始：我们看到的光，到底由谁发出来？这处答案的差别，足以改变一整个星系的“体重”。

韦伯擅长观察红外光。

宇宙膨胀会拉长遥远天体发出的光的波长，原本较短波长的光，抵达我们时可能已经进入红外范围。

它能够帮助人类观察很早的星系，看到恒星与黑洞成长初期留下的光。

那里不是今天的现场，而是经过漫长旅程，终于到达望远镜的旧画面。

早期宇宙的麻烦，是时间不太够用。

气体要聚集，恒星要形成，小系统要成长，有时还要经历合并。

如果在宇宙诞生仅几亿年后的画面里，就出现许多看起来十分庞大的星系，研究人员当然会追问：已有的成长模型是否把某些过程算慢了？或者我们估计它们质量的方法，有没有偏差？ 注意照片并不会直接显示质量。

望远镜接收到光，研究人员再结合距离、光谱与恒星模型，估计目标拥有多少恒星。

这个过程有点像夜里远看一栋楼，通过亮着的窗户估计住了多少人。

你得知道窗户平均有多亮，也得判断有没有一盏特别强的探照灯，把整栋楼照得比实际更热闹。

早期星系里的恒星，未必与附近星系的恒星具有相同年龄分布。

年轻的大质量恒星很亮，少量这样的恒星就能贡献许多光；尘埃又会改变不同波段的亮度。

即便确实来自恒星，怎样把光换算成质量，仍需要谨慎。

看起来很亮，可以是星很多，也可以是某些星特别能发光。

那盏“探照灯”还有一个更惊人的候选者：正在吞吃物质的黑洞。

黑洞自身不把内部的光送出来，但周围落入的气体会在复杂运动中变热并释放强烈辐射。

如果一部分亮光来自这种过程，却都被算成恒星发出的光，星系中的恒星质量就可能被高估，像把舞台灯也算成了观众。

韦伯发现的一类紧凑红色目标，被称为“小红点”。

这个名字几乎没有替它们做解释，只是把观测到的样子记下来。

它们很小、很红，有些光谱里还出现宽阔的氢谱线，提示发光气体有很大的运动速度。

正在吸积的黑洞，是解释部分目标的重要方向，但整类对象的性质仍有争论。

所以，把一张图里每一个红点都叫“过于巨大的星系”，会过早给它们定身份。

研究人员需要继续测光谱，查看不同波长的特征，比较黑洞、气体、恒星各自可能贡献多少。

第一张照片给的是线索，后续测量才逐渐拆开线索里混在一起的东西。

这也解释了为什么新闻里的结论会变化。

2024年，一项对韦伯早期星系的研究就强调，部分目标的光可能受到黑洞贡献影响，剔除这种干扰后，某些原先夸大的恒星质量可以降下来。

它没有让所有问题消失，却说明一个很现实的反转：所谓“宇宙没时间造出它”，有时可能是我们一开始把它估得太重了。

但别马上走到另一个极端，说这些发现原来只是误会。

即使修正了部分质量，早期星系为什么如此明亮、恒星形成效率怎样、黑洞为什么那么早成长起来，依然需要研究。

韦伯带来的价值，恰恰是让这些问题有了更详细的证据。

原本模糊的远方，现在终于能提出更尖锐的问题了。

这里还藏着一个层级差别。

宇宙学模型描述宇宙整体怎样膨胀、物质成分如何影响大尺度演化；星系形成模型则要处理气体冷却、恒星形成以及能量反馈。

后一层里某些参数需要修改，并不自动意味着前一层已经崩塌。

厨房里的烤箱温度估错了，不能立刻证明整栋楼的建筑图是假的。

当然，整体模型也不是不可挑战的。

假如大量独立观测持续出现无法解释的矛盾，就需要认真检查基础假设。

但要达到这一步，得排除测量偏差、目标识别错误和模型中的普通不确定性。

一个诱人的候选体，或者一篇刚出来的分析，还不足以替所有证据宣布最后结局。

远方目标的距离也需要核实。

几种滤镜中的颜色可以帮助挑选很遥远的候选星系，却可能被较近的尘埃丰富目标混淆。

光谱能提供更可靠的红移信息。

因此，你看到“最远候选星系”时，要留意候选两个字；完成进一步确认以后，才更适合拿它的年龄去检验宇宙成长的速度。

已经确认的早期星系同样令人吃惊。

例如韦伯对JADES-GS-z14-0的光谱观测，显示我们看到的是大爆炸后约2.9亿年的它。

这个具体例子告诉人类，很早的宇宙已经能形成明亮星系。

它不必被包装成“当天推翻全部理论”，也足以让研究人员重新琢磨气体如何快速变成恒星。

还有些研究，正在探索被浓密气体包围的黑洞，是否能解释部分小红点的表现。

听起来像科幻的“黑洞星”，在这里指的是一类模型解释，不是已经给每个红点确定了户口。

不同模型要接受光谱等观测的检验，哪一项能同时解释更多特征，哪一项才更有说服力。

对普通读者来说，这种一步步修正往往没有“理论全错”那么痛快。

可真实的探索就发生在这里：同一束光中到底包含多少恒星，多少发热气体，目标究竟多远？每答对一个问题，宇宙的历史就少一点模糊。

被修改的数值，是更接近真实的代价，不是科学不许承认的丢脸现场。

你还可以做一个小小的阅读检查。

新闻说“过于庞大”，究竟指尺寸大，还是推断的恒星质量高？说“太早出现”，距离有没有光谱确认？说“模型解释不了”，是哪个模型、哪组假设？这几个问题一问，许多看起来气势汹汹的标题，就会恢复成一项具体研究本来的样子。

目前，韦伯的早期星系观测正在推动对星系与黑洞形成的研究，不能据此断言大爆炸已被推翻。

未来也可能出现迫使我们进一步改理论的新证据，没有人能提前把门关上。

但改多少、改哪一层，应该由可重复的观测决定，不能由一张照片配上的惊叹号决定。

那张深空照片依然值得多看一会儿。

画面里的小亮点，有些把我们带到宇宙刚开始形成星系的年代。

人类第一次看清它们，就发现以前设想的成长过程可能还不够完整。

最让人想继续追下去的，其实是这个尚未结束的故事：在那么年轻的宇宙里，究竟是谁先把灯打开了？