臺北市立天文科學教育館

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在其首年服役期間呈現了一項出乎意料的發現：在遙遠的宇宙中，存在著大量微弱的「紅色小點」，這可能會改變我們對超大質量黑洞起源的理解方式。這項研究成果已刊登在《天文物理學期刊》上（Matthee et al. 2024）。

韋伯太空望遠鏡在宇宙的一個小區域發現了一群小紅點，這些物體在較老的哈伯太空望遠鏡中無法與普通星系區分。這些微弱小紅點是極大質量黑洞的小型版本，這些特殊物體可能會改變我們對黑洞形成的理解。目前研究這些小紅點的結果可能使我們更接近解答天文學中最重要的難題之一：根據目前的模型，早期宇宙中的一些超大質量黑洞成長得「太快」了。那麼它們是如何形成的呢？

目前天文學家一致認為幾乎每個大型星系的中心都有一個超大質量黑洞。然而，並非所有的超大質量黑洞都是相同的。例如我們銀河系中心的大質量黑洞就像是一座沉睡的火山。但其他有些超大質量黑洞通過吞噬天文數量級的物質而迅速增長。因此，它們變得如此明亮，以至於可在遙遠的宇宙被地球觀測到。這些超大質量黑洞被稱為類星體，是宇宙中最明亮的物體之一。但有些類星體看起來過於龐大，考慮到觀測到的類星體的宇宙年齡來說，它們的質量過大了，我們稱之為「問題類星體」。如果我們考慮類星體的最大增長速率來自於物理學的一般定律，有些類星體看起來似乎增長得比可能的速率還要快。這就像看著一個五歲的孩子身高200公分一樣，有些事情不太對勁。超大質量黑洞是否可能增長得比我們最初所認為的更快？或者它們形成的方式不同？

圖說：這張照片由韋伯太空望遠鏡的近紅外攝影機拍攝，放大顯示了一個擁有活躍超大質量黑洞的「問題類星體」（綠框）。這個新的超大質量黑洞的質量達到了100億太陽質量。與此同時，照片中也捕捉到了小點狀的紅色物體（紅框），幾乎每張深度曝光的韋伯太空望遠鏡的影像中都可以看到幾個這樣的物體。這些物體的光也是由超大質量黑洞供能的。然而，這些黑洞的質量要比問題類星體小上百到上千倍，並且被塵埃密布，使它們呈現紅色。

如今，研究團隊辨認出在韋伯望遠鏡觀測的影像中顯示為小紅點的一群物體，證明這些物體是超大質量黑洞。確定這些「小紅點」物體是超大質量黑洞的關鍵，是檢測到具有寬譜線輪廓的Hα光譜發射線。Hα光譜線是可見光的深紅色的譜線，當氫原子被加熱時發射。光譜的寬度和以追蹤氣體的運動。Hα光譜線的底部越寬，氣體速度越高。因此，這些光譜告訴我們，我們正在觀察一個非常小的氣雲，它以極快的速度運動，並繞著像超大質量黑洞這樣非常龐大的物體運行。

但這些小紅點並非過度龐大的那種，它們更像是「幼年類星體」。它們的質量在一千萬到一億太陽質量之間。此外，它們看起來是紅色的，因為它們充滿塵埃。塵埃遮蔽了黑洞並使顏色變紅。然而，最終，從黑洞中流出的氣體將穿透塵埃包層，並從這些小紅點中演化出巨人。因此，研究團隊認為，這些小紅點是超大質量黑洞的小型紅色版本，是在問題類星體出現之前的階段。更詳細地研究這些過度龐大超大質量黑洞的幼年版本將使我們更好地理解問題類星體是如何形成的。然而，這項研究只算是打開了序幕，夜空中所探索的區域相當於你伸直手臂時食指指甲表面的二十分之一而已。（編譯／段皓元）

資料來源：ISTA Latest News