JWST发现一个奇怪的红点，奇特到科学家都无法解释

后续数据表明，这些天体距离极其遥远，即便离我们最近的，其光线也用了120亿年才抵达地球。由于观测太空也是在回望过去，我们看到的是它们120亿年前——约在宇宙大爆炸后18亿年时的模样。

早期理论指向大质量年轻星系
这一发现引发了难题。为解读天文观测结果，研究人员依赖描述不同类型天体应有模样的模型。天文学家能准确识别恒星，是因为他们知道恒星是靠引力维系的巨型等离子球体，通过核聚变产生能量，也清楚恒星在图像中以及在被称为光谱的光线详细测量中的呈现方式。当天体的外观和光谱都匹配时，就能对其进行可靠分类。
这些小红点与任何已知类别都不相符，因此天文学家开始考虑更极端的解释。早期有观点认为，它们是异常致密的星系，充满了海量恒星，其红色是由厚厚的尘埃层导致的。为想象这种密度，可试想把太阳系放进一个边长1光年的立方体。在我们所处的宇宙区域，这个立方体里只有太阳。而在提出的这类星系中，同样的立方体却会容纳几十万颗恒星。
在银河系中，只有中心核球的恒星密度勉强能与之相比，但该区域的恒星数量仍只有小红点模型所需数量的约千分之一。如果这些星系在大爆炸后不到10亿年就真的聚集了数千亿太阳质量的恒星，将对星系形成的基本理论构成挑战。正如合著者王冰洁（宾夕法尼亚州立大学）所说：“这样一个星系的夜空会亮得令人炫目。如果这种解释成立，意味着恒星是通过从未被观测到的特殊过程形成的。”

星系还是活动星系核？科学分歧显现
争议很快出现。一些研究人员支持恒星丰富、尘埃厚重的星系观点，另一些人则认为小红点实际上是被大量尘埃遮挡的活动星系核。活动星系核是物质螺旋进入星系中心黑洞时，形成极热吸积盘而产生的。然而，这种解释也遇到了问题。小红点的光谱与已知的尘埃红化活动星系核有显著差异。考虑到JWST探测到的小红点数量，这种情景还需要这些天体拥有质量极大的超大质量黑洞，且数量远超预期。
尽管存在分歧，天文学家在一点上达成共识：要解开这个谜团，需要更多数据。JWST最初的发现提供了图像，但理解其物理性质需要光谱，光谱能揭示天体在不同波长下的发光情况。获取此类观测数据颇具挑战性，因为大型望远镜的观测时间竞争激烈。一旦小红点的重要性明确，许多团队开始申请观测时间。其中一项成功的提案是由马克斯·普朗克天文研究所的安娜·德格拉夫领导的RUBIES项目，全称“红色未知天体：明亮红外河外巡天”。

RUBIES巡天发现极端案例
2024年1月至12月间，RUBIES团队使用了近60小时的JWST观测时间，为4500个遥远星系收集光谱，生成了迄今为止最大的JWST光谱数据集之一。正如拉斐尔·赫维丁（马克斯·普朗克天文研究所）所说：“在这个数据集中，我们发现了35个小红点。大多数已通过公开的JWST图像被发现，但新发现的那些却是最极端、最迷人的天体。”最引人注目的发现在2024年7月：一个极其遥远的天体，他们将其命名为“悬崖”，其光线用了119亿年才抵达地球（红移z=3.55）。它的特性表明，它是小红点群体中一个特别强烈的代表，因此是检验任何相关理论的关键天体。
“悬崖”得名于其光谱中的一个显著特征。在通常为紫外线的区域，其光谱显示出非常陡峭的上升。由于宇宙膨胀，该波长被拉伸到原来的近五倍，进入近红外区域，这一过程称为宇宙学红移。这种突然的上升被称为“巴尔末跳变”。普通星系，尤其是那些很少或不形成新恒星的星系，也会出现巴尔末跳变，但强度远不及“悬崖”所观测到的。

检验所有已知解释
“悬崖”异常尖锐的巴尔末跳变，与小红点的两种主要解释都不相符。德格拉夫及其同事用各种星系和活动星系核模型来匹配该天体的光谱，试图重现其特征，但所有模型都失败了。
安娜·德格拉夫说：“‘悬崖’的极端特性迫使我们重新开始，提出全新的模型。”大约在此时，2024年9月中国和英国研究人员的一项研究表明，一些巴尔末跳变特征可能来自恒星以外的其他来源。德格拉夫的团队自己也已开始考虑一个相关的想法。巴尔末跳变会出现在单个极热年轻恒星的光谱中，也会出现在包含许多此类恒星的星系光谱中。奇怪的是，“悬崖”的光谱更像一颗极热恒星，而非整个星系。

新模型出现：黑洞星（BH*）
基于这一想法，德格拉夫及其合作者提出了一个他们称之为“黑洞星”（写作BH*）的新概念。在这个模型中，核心引擎是一个包含超大质量黑洞和吸积盘的活动星系核，但整个系统并非被尘埃笼罩，而是被厚厚的氢气层包裹，氢气层使发出的光变红。BH*天体不是真正的恒星，因为它们的中心没有核聚变。其周围的气体也比正常恒星大气中的气体湍流得多。不过，基本物理情况具有可比性。活动星系核加热周围的气体包层，类似于核聚变加热恒星外层，从而产生相似的外观。
该团队提出的模型是早期的概念证明。它们还不能完美匹配数据，但比以往任何模型都更成功地重现了观测到的特征。“悬崖”这一名称灵感来源的光谱 steep rise，可以用活动星系核周围一个致密、球形、湍流的气体包层来解释。如果这种解释正确，“悬崖”将代表一个由中心黑洞星主导的极端案例，而其他小红点则包含BH*光与周围恒星和气体光的不同混合。

对早期星系快速成长的启示
如果BH*天体真实存在，它们可能有助于澄清另一个长期存在的谜团。早些时候关于稍小质量中等质量黑洞的理论研究表明，这种被气体包裹的结构可能使早期宇宙中的黑洞快速成长。JWST已经发现了早期宇宙中存在异常大质量黑洞的证据。如果超大质量黑洞星以类似方式成长，它们可能为解释这种快速成长提供一种新机制。BH*天体能否实现这一点仍不确定，但如果可以，将显著影响早期星系演化模型。
尽管有这些有前景的见解，仍需保持谨慎。这些结果是全新的，遵循了科学研究在经同行评审期刊接受后才报告的标准做法。这些想法能否被广泛接受，取决于未来几年收集的进一步证据。

未解之谜与未来观测
新发现迈出了重要一步，提供了首个能够解释“悬崖”极端巴尔末跳变的模型。然而，它们也带来了新的问题。这种黑洞星最初是如何形成的？是什么让其特殊的气体包层能长期存在（尤其是黑洞会消耗气体，必须以某种方式补充）？“悬崖”的其他光谱特征是如何产生的？
解决这些问题既需要理论建模，也需要更多观测。德格拉夫的团队已计划明年进行JWST后续观测，目标是“悬崖”和其他特别有趣的小红点。
这些未来的研究将帮助确定黑洞星是否真的在塑造最早的星系中发挥了作用。这种可能性很有趣，但远未定论。

背景与研究团队
本文所述研究已被接受发表，论文题为《一颗非凡的Ruby：致密气体中的吸收而非演化恒星，驱动z=3.5小红点的极端巴尔末跳变》，作者为A. de Graaff等人，将发表在《天文学与天体物理学》期刊上。由拉斐尔·赫维丁领导的另一篇配套论文，展示了RUBIES巡天中的小红点更广泛样本，也已在同一期刊发表，标题为《RUBIES：小红点的光谱普查——所有具有v形连续谱的点源都有宽线》。
参与研究的人员包括马克斯·普朗克天文研究所的安娜·德格拉夫、汉斯 - 沃尔特·里克斯和拉斐尔·E·赫维丁，以及宇宙黎明中心的加布·布拉默、普林斯顿大学的珍妮·格林、斯威本科技大学的伊沃·拉贝、麻省理工学院的罗汉·奈杜、宾夕法尼亚州立大学和普林斯顿大学的王冰洁以及其他合作者。