【天体物理】发现一种全新的天体——黑洞星？！

2022年，韦布空间望远镜（JWST）在极早期宇宙中发现了一些神秘的“ 小红点”。

这些明亮而致密、起源尚不明确的天体令人困惑，它们在宇宙“仅有”数亿年历史的时候似乎无处不在；但到了今天，它们又似乎全部消失不见了。

自发现以来，这些小红点究竟是什么，一直是争论最激烈的问题之一。

一直以来，“尘埃造成的光线红化”，都是解释小红点的多数理论所依赖的重要基础。

而在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个天文学家团队分析了一个由JWST捕捉到的异常明亮的小红点，认为这个小红点可能代表一种此前从未被观测过的、全新的天体物理源，并将其称为“黑洞星”（black hole star）。

在这些由JWST拍摄的图像中，这颗“黑洞星”表现为一个十分醒目的小红点。

而类似这样的“小红点”，在JWST的观测图像中其实极为常见。

（图/NASA, ESA, CSA, STScI, DAWN JWST Archive, PRIMER Survey (PI: James Dunlop); Visualization: Rohan Naidu (University of Hawai’i)）

一个异常的“小红点”

这项研究的最初目的并非寻找“黑洞星”。

当时，研究团队正在进行一项名为“Mirage or Miracle” （“海市蜃楼还是奇迹”，简称MoM）的巡天项目，希望利用JWST，寻找宇宙中距离最遥远、形成时间最早的星系。

一直以来都有这样一个谜题：为什么在宇宙极其早期的时候，就已经出现了这么多明亮的星系？他们发现，有些看起来像异常明亮的早期星系、也就是所谓的“奇迹”，实际上有时可能只是一个“海市蜃楼”。

在浏览JWST的图像、寻找值得进一步观测的有趣目标时，他们注意到一个与众不同的天体：一个非常红、同时又异常明亮的光点。

通常情况下，当天文学家在宇宙中看到一个非常红的天体时，会首先认为它的周围存在大量尘埃，就像烟灰或者灰烬一样。

然而，这个天体发出的光中还存在一些其他的、与物理学家预期的“尘埃导致变红”的情况不吻合的特征：这个光点在大多数波长上都异常明亮，但是一旦低于某个特定波长，光却会突然完全消失。

这种光谱上的骤降被称为“巴耳末断裂” （Balmer break）。

巴耳末断裂的一些特征，常见于 活动星系核的光谱之中；同时，在那些恒星形成活动突然减弱的星系中也能看到类似现象。

另外，夜空中最明亮的恒星之一——织女星（Vega）——也呈现出这种典型的光谱特征。

异常强烈的巴耳末断裂。

织女星（左）表现出明显的“巴耳末断裂”，黑洞星”（右）同样呈现巴耳末断裂等类似恒星的特征。

这些特征由包裹在黑洞周围的致密气体形成；从某种意义上说，这些气体与恒星的外层和恒星风具有相似作用。

（图/NASA, ESA, CSA, STScI, DAWN JWST Archive, HST CALSPEC (Ralph Bohlin, Karl D. Gordon, P.-E Tremblay), JWST Mirage or Miracle Survey (PIs: Pascal Oesch, Rohan Naidu); Visualization: Rohan Naidu (University of Hawai’i)）

如果要观察到非常明显的巴耳末断裂，一个理想的情景是：一群恒星形成于一个几乎没有尘埃的环境中。

而这次，天文学家在这个天体中观察到的断裂，是迄今观测到的最强烈的巴耳末断裂之一——其强度至少是无尘恒星群所产生巴耳末断裂的两倍。

这意味着普通恒星不可能是这种辐射的来源。

更特别的是，这个红点发出的光中，几乎检测不到任何“金属”元素 （即氢、氦以外的元素）的明显特征。

不是恒星，是什么？

为了弄清楚这个红点究竟可能是什么，研究团队模拟了多种不同情景，希望找出究竟什么样的天体物理条件组合，能够产生这个红点如此独特的颜色特征。

他们首先追问的是：如果完全没有尘埃，只靠氢，能不能让一个天体变得这么红？令人惊讶地是，答案竟然是可以——前提是存在一层密度极高的氢气屏障。

它的密度必须高到这样一种程度：与其说它像稀薄的星际星云，不如说更像是一颗巨大恒星的表面。

模拟结果表明，这个红点可能是一个被厚厚包裹起来的强大能量源，外围环绕着一个密度极高的氢气茧。

如果确实如此，就能够解释观察到的两个特征：一是为什么会出强烈的巴耳末断裂；二是为什么光谱中几乎只存在氢和氦，而看不到其他元素。

但是，这仍然无法解释另一个最关键的问题：它为什么会如此明亮？要知道，这是一个看起来有点像恒星的天体，但它却要明亮1000亿倍。

这意味着，它绝不可能依靠核聚变来提供能量——核聚变根本无法产生如此巨大的能量输出，但黑洞能。

于是，研究人员在此前“被氢气茧包裹的恒星状天体”模型中，加入了一个正在活跃吸积物质的黑洞，并不断调整黑洞的质量以及其他参数。

随后，他们把模拟得到的“黑洞星”的亮度，与JWST实际观测到的红点亮度进行比较。

通过这些模拟，研究人员找到了与观测结果最吻合的模型，并由此得出结论：解释这个神秘红点的最可能情景，就是一颗“黑洞星”：这个天体中心很可能包含一个正在活跃吸积物质、质量约为太阳10万倍的超大质量黑洞。

这个黑洞本身深埋在高度湍动的致密氢气茧之中，而整个气体结构的尺度大约相当于整个太阳系。

它或许正处于一个早期阶段，正在经历快速而高效的增长。

像太阳这样的恒星（左），可以看作一个由致密气体组成的球体，其能量来自内部的核聚变。

黑洞（中）通常通过吞噬盘状吸积盘中的物质而不断增长。

“黑洞星”（右）则代表一种新的天体物理对象：一个黑洞被致密气体层包裹，以至于整个系统能够像恒星一样向外辐射。

正是这层致密的气体外壳，使黑洞表现出类似恒星的特征。

黑洞星的尺度可比太阳大10万倍以上。

（图/Rohan Naidu (University of Hawai’i)）

尤其值得注意的是，这个天体呈现出的红色，可以主要通过气体本身的作用来解释，尘埃所起的作用可能微乎其微。

研究黑洞的新线索

研究团队将这个天体命名为MoM-BH*-1，也可以理解为“黑洞星1号”，暗示它可能只是这一类天体中第一个被确认的成员。

他们怀疑，JWST中出现的许多其他“小红点”，也可能都是类似的黑洞星，只不过它们没有MoM-BH*-1这么明亮。

综合这些观测结果来看，“黑洞星”正在成为解释“小红点”最有力、也最可靠的候选方案之一。

目前的每一个“小红点”的观测特征，都可以与“黑洞星嵌在一个普通早期星系之中”这种解释相吻合。

而MoM-BH*-1真正特殊的地方在于，这颗黑洞星的亮度几乎完全压过了它周围的宿主星系。

因此，天文学家捕捉到的，基本上就是纯粹来自黑洞星本身的光。

研究人员认为，这一发现为破解一个困扰天文学界长达半个世纪的难题提供了新的路径：超大质量黑洞究竟从何而来，又是如何演化成长的？也许，是时候重新审视现有的超大质量黑洞演化模型，并建立能够更好匹配实际观测的新模型了。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2026/astronomers-discover-brand-new-type-astrophysical-object-black-hole-star-0812

https://ista.ac.at/en/news/black-hole-star-mirage-or-miracle/

文章来源于原理，转载旨在分享，如有侵权请联系删除。

免责声明： 自媒体综合提供的内容均源自自媒体，版权归原作者所有，转载请联系原作者并获许可。

文章观点仅代表作者本人，不代表环球物理立场。

环球物理

ID：huanqiuwuli

环球物理，以物理学习为主题，以传播物理文化为己任。

专业于物理，致力于物理！以激发学习者学习物理的兴趣为目标，分享物理的智慧，学会用物理思维去思考问题，为大家展现一个有趣，丰富多彩的，神奇的物理。

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？