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/
https://www.nature.com/articles/d41586-026-02290-1
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10846-4
#图片来源：
封面图&首图：Jose-Luis Olivares via MIT
热门跟贴