星系和黑洞，哪個先出現？

星系和黑洞，哪個先出現？幾十年來，標準答案一直是——不確定，但有可能是星系先出現。因為在一個已經形成的星系中，大質量恒星會耗盡自身燃料，隨后坍縮成黑洞；黑洞又可以吞噬周圍物質，并隨著時間推移相互并合，逐漸成長為質量更大的天體。

問題是，天文學家已經在早期宇宙中發現了數千個質量達到太陽的數百萬倍乃至數十億倍的黑洞。若它們真的起源于更小的“種子”，那要如何解釋它們是怎么能在如此短的宇宙時間尺度內，迅速成長到如此巨大的？

現在，一個國際研究團隊利用韋布空間望遠鏡（JWST）捕捉到了清晰的觀測證據，表明有些超大質量黑洞可能從一開始就非常巨大，它們的形成并未經歷恒星坍縮階段，也不需要一個質量遠大于自身的宿主星系來為其提供“養料”。研究人員將這一結果以兩篇論文的形式發表在《自然》和《皇家天文學會月刊》上。

“小紅點”QSO1

研究人員之所以得出這一結論，是基于對Abell2744-QSO1（簡稱QSO1）的詳細觀測。QSO1最早是在JWST的近紅外光譜儀（NIRSpec）中被發現的，它形態緊湊，具有“小紅點”天體的典型特征。

JWST拍攝的“小紅點”Abell2744-QSO1。它受到Abell 2744星系團的引力透鏡作用，被放大并形成三個影像。（圖/NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)）

盡管QSO1距離我們超過130億光年，直徑也只有約1300光年，但它比大多數其他“小紅點”更容易研究。這是因為它受到Abell 2744星系團的強引力透鏡作用影響。在這種效應下，QSO1不僅被放大，還形成了三重影像，在天空中的三個不同位置同時顯現出來。

初步的觀測結果顯示，QSO1中存在一個正在吸積物質的黑洞，周圍環繞著由發光的氫氣和氦氣組成的氣體云。此前估計，這一黑洞的質量約為太陽的4000萬倍。

不過，與JWST發現的其他早期黑洞一樣，天文學家仍不確定它是否真的有這么大的質量。這是因為，這一估算結果依賴于一個基于近域宇宙中的黑洞性質所建立起來的假設，而天文學家并不確定這一假設在遙遠宇宙中是否仍然適用。

繪制氣體成分與速度圖

這一次，研究團隊意識到，如果QSO1中的黑洞確實像看起來那樣巨大，那么他們應該可以利用NIRSpec上的集成視場單元（IFU）來追蹤黑洞引力對周圍旋轉氣體的影響，同時繪制出氣體中不同元素的分布圖。

利用IFU的觀測結果，他們繪制了黑洞周圍氫氣的運動圖。當他們繪制徑向速度隨中心距離的變化時，發現這些氣體呈現出開普勒自轉，即它們圍繞一個中心點運行，就像太陽系中的行星圍繞太陽運行一樣。這一點非常重要，因為它意味著，QSO1中的大部分質量都集中在中心黑洞之中，如果質量分布得更分散，比如其中包含大量恒星，那么氣體就不會表現出如此完美的開普勒自轉。

左圖為JWST的NIRCam拍攝的局部圖像，顯示了“小紅點”Abell2744-QSO1；右圖為利用NIRSpec的IFU繪制的QSO1氣體速度圖，顯示其中心存在一個約5000萬太陽質量的黑洞。（圖/NASA, ESA, CSA, Ignas Juod?balis (Cambridge), Cosimo Marconcini (University of Florence), Roberto Maiolino (Cambridge), Francesco D'Eugenio (Cambridge), Hannah übler (MPE); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)）

由于開普勒運動受基本引力定律支配，因此研究人員得以利用氣體速度的測量結果來直接計算黑洞的質量。這是此前從未實現過的測量。結果表明，這個黑洞質量非常巨大——約為5000萬個太陽質量，占據了QSO1總質量的2/3。這個比例比近鄰星系中的情況高出數千倍，在近鄰星系中，超大質量黑洞通常只占宿主星系總質量中極小的一部分。

此外，從IFU獲得的成分分布圖也支持這一結果。它顯示，QSO1中的氣體幾乎完全由氫和氦組成，幾乎沒有氧等較重元素。在一個富含恒星和恒星殘骸的星系中，理應看到更多重元素。QSO1的金屬豐度不到太陽的0.5%，是迄今測量到的最接近原初狀態的星系環境之一。

這是人類首次在大爆炸后的最初10億年內，直接測量一個黑洞的質量。而且它與此前的測量結果一致。研究團隊認為，這是一個積極信號——它表明，那些用于間接測量質量的假設可能是有效的，早期宇宙中其他黑洞的質量或許并沒有被高估。

超大質量黑洞的起源

相對于其宿主星系而言，QSO1中黑洞的質量大得異常。這表明，它不太可能是由許多更小的恒星級黑洞通過并合和吞噬物質逐步成長而來的。這意味著，研究人員發現的是一個沒有巨大的宿主星系、并且早于恒星過程形成的黑洞。

這是一個非凡的發現，因為它為原初黑洞或直接坍縮而成的黑洞提供了證據。此前這些對象只存在于理論設想中，尚未得到確認。這相當于對黑洞如何形成和成長的經典圖景進行了一次全面的重新審視。

無論QSO1的黑洞是由大爆炸后第一秒內形成的“初始質量很大的黑洞種子”演化而來，還是在稍晚些時候由一團巨大氣體云直接坍縮而成，可以肯定的是——它幾乎一出生就很大，并且可能正處于一個在它周圍塑造一個星系的早期階段。

研究團隊認為，像QSO1這樣的“小紅點”在早期宇宙中可能不是罕見的。目前，他們正在研究更多類似天體，試圖回答一個更大的問題：這些超大質量黑洞，是否真的可能比它們如今所在的星系更早誕生？

#參考來源：

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4

https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109

#圖片來源：

封面圖&首圖：NASA, ESA, CSA, Lukas Furtak (Ben-Gurion University); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)