技術進步常常揭示隱藏在現實表面之下的謎題。例如，紅外相機幫助人們在十年前發現了畢加索早期傑作之一《藍色房間》中的一幅隱藏肖像。相機穿透了藝術家覆蓋的筆觸，揭示了一位優雅而神秘的男士的素描，他戴著領結和三枚戒指，託著下巴。像往常一樣，這一發現提出了比解答更多的問題：這位紳士是誰，畢加索為什麼要將他的畫像埋在厚厚的油彩之下？
美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的紅外之眼，這是迄今為止建造的最先進的離地天文臺，也揭開了某種神秘的面紗——而且比一位留著鬍鬚的男士更為深刻。這一次，謎團隱藏在古代宇宙中最微弱物體的表面之下。JWST 的遠見卓識揭示了早期宇宙中一群神秘星系的存在，這些星系是天文學家以前未知的。就像畢加索的神秘男士一樣，這些星系——被稱為“小紅點”（LRD）的小而發紅的斑點——顯得奇怪且不合時宜。
JWST 是一架功能強大的望遠鏡，專門設計用於研究“宇宙黎明”，即早期宇宙中第一批恆星和黑洞誕生的時代。來自那個時代的光到達我們今天時極其微弱，在穿越數十億光年的漫長旅程後變得黯淡。而且，儘管它最初是紫外線和可見光，但這些物體的光芒已經紅移到紅外線——這是空間膨脹拉伸光波長穿越宇宙時引起的一種現象。收集這些光，JWST 揭示了比以往任何時候都更微弱和更遙遠的星系。而且有點令人驚訝的是，這些星系中的許多星系比任何人預期的都要更紅、更緊湊。
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這些小紅點激發了全世界天文學家的想象力，因為它們可能對我們理解宇宙演化具有重大意義。但是到目前為止，它們的精確性質以及它們究竟在告訴我們關於早期宇宙的資訊仍然不確定。
然而，有些事情是清楚的。大多數 LRD 在相對較短的一段時期內爆發，持續了十億年，並且大約在大爆炸後 6 億年開始。在一個誘人的謎團中，除了 JWST 拾取的它們古老的遺蹟光之外，今天的宇宙中似乎沒有任何它們的蹤跡。它們為什麼消失了？或者它們變成了什麼？它們的突然消失是一個深刻的謎。
它們獨特的紅色不僅僅是紅移的問題；相反，它表明它們在更長、更紅的波長處發出了大量光。這是否來自本質上是紅色的星系，或者是否來自可以使光線變紅的大量塵埃，仍然未知。它們的緊湊性也令人不安：典型的 LRD 的近似半徑不超過500 光年，而其中一些的半徑可能小於150 光年。我們自己的銀河系，在現代“本地”宇宙中，比它大 100 多倍更大！
這就是我們所知道的一切。我們面前的路現在至少分成了兩個分支；小紅點要麼是擁有中心超大質量黑洞的星系；要麼是擁有大量恆星的小體積星系。每種解釋都有問題。
首先，線索強烈表明，與我們在本地宇宙中看到的所有大型星系類似，這些來自早期宇宙的 LRD 擁有一箇中心超大質量黑洞，其質量是太陽質量的數百萬到數億倍質量。我們可以透過它們的光譜來確定它們，光譜是它們發出的光的各個波長或顏色的彩虹狀圖表。黑洞本身不發光，但落入其中的物質會釋放出大量的輻射，發出強光以幫助詳細說明其消亡。天文光譜可以指示氣體圍繞黑洞高速旋轉的速度，對抗其巨大的引力場，從而有效地稱量黑洞的質量。這種特徵——光譜中某些特徵的展寬——存在於大多數 LRD 中，表明氣體速度為每秒數千公里，正如人們預期的那樣，物質螺旋式地走向其在超大質量黑洞附近的末日。
一位藝術家構想的超大質量黑洞，其質量是太陽質量的數百萬到數十億倍，吞噬著旋轉的氣體和塵埃吸積盤，併產生強大的輻射和粒子噴流。
NASA/JPL-Caltech
然而，黑洞假說也以某種奇異之處為標誌。落入黑洞的物質產生的光中，很大一部分是以 X 射線形式出現的。因此，如果小紅點包含超大質量黑洞，則應該可以用 X 射線望遠鏡看到它們。在現代天文學最令人困惑的情節轉折之一中，它們不是：迄今為止發現的大多數 LRD 沒有顯示 X 射線發射的跡象。
而怪異之處還在不斷湧現。在附近的宇宙中，深刻的相關性——或標度關係——存在於中心黑洞的質量與其宿主星系中恆星的數量之間。通常，這樣一個黑洞的質量大約是其星系恆星總質量的 0.1%——這表明這兩個截然不同的天文物體以某種方式共同進化。如果 LRD 包含超大質量黑洞，那麼這些黑洞似乎比眾所周知的標度關係所規定的要大得多，質量高達其整個星系恆星質量的驚人的40%。這種特殊性可能是確定第一批黑洞如何在 甚至更早的宇宙時代形成的，而即使是 JWST 也幾乎無法探測到的關鍵證據。
如果小紅點只包含恆星呢？吞噬物質的黑洞通常比恆星更有效地產生光。因此，為了讓恆星單獨產生從這些星系觀測到的光量，需要大量的恆星。想象一下將相當於銀河系的恆星擠壓到一個半徑比我們熟悉的家園螺旋星系小 100 倍的體積中。如果我們放置一個以太陽為中心且半徑為 4.24 光年的球體，它將僅包含另一顆恆星：比鄰星。放置在其中一個 LRD 中的同一個球體平均將包含超過一百萬顆恆星。“滿天繁星”這首歌在那裡將獲得全新的含義。
那麼，這些神秘的幽靈在宇宙黎明破曉之際如此接近，它們到底是什麼呢？事實是，我們還不知道。未來使用 JWST 的調查，特別是在紅外線更長的波長下，以探測中心超大質量黑洞周圍塵埃結構的發射，可能會有所幫助。此外，更深層的 X 射線觀測——也使用下一代高解析度 X 射線天文臺，例如擬議的 AXIS——有望探測到來自 LRD 的高能光子。
就像畢加索戴著領結的神秘紳士一樣，這些神秘的物體似乎居住在一個另類現實中，這個現實講述了宇宙歷史中一個未探索章節的故事。隨著時間的推移，天文學家將把它們與我們目前對宇宙機制的理解協調起來。然而，目前，我們仍然感到敬畏，並尋找答案。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。