自部署以来，詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST) 通过捕捉被称为“小红点” (LRDs) 的神秘、致密且极红的天体图像，从根本上改变了我们对早期宇宙的理解。多年来，天文学家一直在争论这些高红移波段（发现于 $z \sim 2$ 到 $z \sim 9$ 之间）的来源是微小、超高密度的星系，还是被遮蔽的活动星系核 (AGN)。由 Gabriel Brammer、Priyamvada Natarajan 和 Sandro Tacchella 等研究人员领导的一项突破性新研究提出了第三种更奇特的可能性：这些天体是黑洞星 (BH*s)，这是一种过渡阶段，在这个阶段，成长中的黑洞被包裹在巨大的、高密度的气体包层中，其亮度完全盖过了其宿主星系。
JWST 在早期宇宙中发现了什么？
詹姆斯·韦布空间望远镜 (JWST) 发现了一群高红移的致密天体，被称为“小红点”，它们在静止系光学波段表现出显著的红色。这些天体可以追溯到大爆炸后仅几亿年，表现出极高的光度和致密的结构，挑战了现有的星系形成和黑洞生长模型。
这些天体的发现出人意料，因为它们的能谱特征与已知的已知天体并不完全吻合。最初，争论集中在红色是由宁静星系中古老的恒星群体引起的，还是由中心黑洞周围沉重的尘埃遮蔽引起的。研究团队利用来自 98 个 LRD 样本的高质量 NIRSpec/PRISM 光谱，对这些“小红点”进行了深入探究，试图确定驱动其强大能量输出的具体机制。
为了孤立这些天体的本质，研究人员开发了一种新方案，将中心引擎与周围的宿主星系分离开来。他们基于这样一个假设：[OIII] 5008Å 发射线完全源自宿主星系的星际介质，而非致密核心。通过根据这条谱线扣除宿主星系的贡献，团队揭示了 LRD “核心”潜在的能谱分布 (SED)，这为黑洞星的存在提供了首个群体层面的证据。
“小红点”真的是黑洞星吗？
证据表明，许多“小红点”确实是由黑洞星驱动的，这些黑洞星是被包裹在厚重、不透明气体包层中的中心奇点。在扣除宿主星系的光后，研究人员发现剩余的核心呈现出类黑体能谱分布 (SED)，温度约为 4,050 K，这与气体包层的特征比传统星系更吻合。
“黑洞星”模型通常被称为准星 (quasistar)，描述了一种独特的物质状态，即黑洞在巨大的流体静力学包层内以加速率增长。研究发现，这些 LRD 扣除宿主后的中值叠加光谱显示的巴耳末断点强度是大型宁静星系的两倍多。这一特定特征是高密度气体包层的“标志性特征”，而非来自古老恒星的光，表明黑洞是观测到的光线的主要驱动力。
根据 Brammer、Natarajan 和 Tacchella 的研究结果，这些黑洞星的光度极高，玻罗光度约为 $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43.9$ erg s$^{-1}$，有效半径约为 1,300 au。研究表明，在一个典型的 LRD 中，黑洞星占据了：
- 约 20% 的紫外 (UV) 辐射。
- 约 50% 的巴耳末断点处的光。
- 在长于 H$\alpha$ 的波长处，占据了近 90% 的光。
黑洞如何在气体包层内生长？
黑洞通过以超过标准爱丁顿极限的速率吸积质量在气体包层内生长，而周围的气体则捕获了由此产生的辐射。这创造了一个高压、致密的茧状结构，其中向内的重力拉力与黑洞能量产生的向外压力相平衡，从而形成了一个稳定但短暂的“类恒星”结构。
光谱数据通过观测到陡峭的巴耳末减量 ($H\alpha/H\beta > 10$) 支持了这种“掩蔽式”生长模型。如此高的比例意味着一个高度遮蔽且致密的环境，其中的尘埃和气体使从内部逃逸的光显著变红。此外，团队还检测到了许多密度敏感特征，包括来自 FeII、HeI 和 OI 的发射线，这些特征在标准星系中很少见，但却是高能热源周围高密度星云的特征。
研究假设，这些黑洞星优先存在于最近经历过剧烈星暴的低质量星系 ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) 中。极高的发射线等效宽度——例如 [OIII] 5008Å 达到 1100Å，CIII] 达到 12Å——表明快速恒星形成与这些大质量黑洞种子的诞生之间存在着强有力的联系。这种环境提供了必要的天然气储备，以便在黑洞初始膨胀期间维持包层。
对早期超大质量黑洞生长的影响
黑洞星阶段的发现对于理解宇宙中第一批超大质量黑洞如何如此迅速地形成具有深远意义。标准的吸积模型往往难以解释黑洞如何在宇宙历史的前 10 亿年内达到数十亿个太阳质量。然而，黑洞星机制允许在天体保持遮蔽状态时进行快速的“超爱丁顿”生长，直到包层最终消散前，它都能有效地隐藏在视线之外。
研究人员估计，这些天体的占空比 (duty cycle) 相对较短，约为 1%，这意味着其寿命约为 1000 万年。尽管这种阶段是短暂的，但数据表明，黑洞星在早期宇宙中非常普遍，以至于今天看到的几乎每一个大质量黑洞都可能曾经经历过这个“小红点”阶段。这表明 LRD 并不是进化的死胡同，而是黑洞普遍存在的“生长突增”期。
展望未来，詹姆斯·韦布空间望远镜的后续观测可能会集中在“蓝色宽发射线 AGN”上，研究人员认为，一旦高密度的气体包层开始清除，这可能是继黑洞星之后的阶段。通过研究从气体包裹的“点”到明亮的、无掩蔽类星体的转变，天文学家希望绘制出宇宙中最庞大居民从宇宙黎明到现代的完整生命周期。
Comments
No comments yet. Be the first!