韋布望遠鏡發現疑似首批恒星遺跡

或為宇宙最早恒星坍縮前的跡象

一項新研究指出，詹姆斯韋布空間望遠鏡觀測到的微小紅點可能是宇宙中首批巨型恒星，其壽命極為短暫，這一發現對現有理論提出了挑戰。

詹姆斯韋布空間望遠鏡巡天觀測中發現的一組小紅點（以圓圈標出）。 （圖片來源：班哲正湯姆孫）

天文學家可能已發現證據表明，詹姆斯韋布空間望遠鏡（JWST）觀測到的部分神秘小紅點并非如先前所推測的黑洞，而可能是宇宙早期形成的巨型恒星。

該團隊通過構建一種簡化的古老超大質量恒星模型——即宇宙中首批超大質量黑洞可能的前身天體——取得了這一發現。

小紅點在宇宙誕生后的最初20億年中存在，是詹姆斯韋伯空間望遠鏡（JWST）最令人驚訝的發現之一。天文學家最初提出，這些緊湊的紅色天體可能是活動星系核（AGNs），即由正在快速吸積物質的黑洞驅動的大星系。

詹姆斯韋布太空望遠鏡觀測到早期宇宙中黑洞正從繭中誕生 詹姆斯韋布太空望遠鏡觀測到早期宇宙中的巨獸恒星正在釋放氮元素 詹姆斯韋布太空望遠鏡可能已探測到宇宙中最早的超新星

但相關證據并不明確。這些天體極其微小——比典型星系的尺寸還要小。截至目前，它們尚未觀測到明顯的X射線輻射，而X射線輻射通常是活躍吸積黑洞的主要特征。其光譜中除氫和氦之外，也未發現顯著的金屬發射線，表明周圍氣體可能化學成分較為原始，與通常圍繞活躍吸積黑洞所見的富金屬環境有所不同。

這促使哈佛大學與史密松天體物理中心（CfA）的德維什南達爾和阿維勒布探索另一種可能性：這些致密天體是否實際上是正處于坍縮為黑洞前一刻的超大質量恒星？

如果這些微小的紅色光點目前沒有X射線輻射，也不顯示任何其他金屬譜線，而超大質量恒星確實能夠形成并存在，那么我們已證明這類恒星將自然產生這些微小紅色光點所呈現的特征。哈佛史密松天體物理中心博士后研究員、該研究第一作者南達爾向《生活科學》表示：我們首次認為，所觀測到的并非某顆恒星早已消亡后留下的遺跡信號。

該團隊的研究成果發表于《天體物理學雜志》。

怪物祖先

超大質量恒星——南達爾及其同事此前稱之為怪物恒星——是主要由原始氣體（主要是氦和氫）在早期宇宙中形成的極高質量恒星。它們被歸類為第一代恒星，即第三星族恒星。一些模型表明，這些早期恒星的質量可能達到太陽的數千至一百萬倍。當這些恒星死亡時，會轉變為超大質量黑洞。

為解釋小紅點的極端明亮特性，天文學家構建了一個無金屬的超大質量恒星詳細模型，其質量接近百萬倍太陽質量。研究團隊將模擬結果與兩個名為MoMBH1和TheCliff的小紅點的觀測特征進行了比對。這兩個天體分別位于宇宙年齡約為6。5億年和18億年的時期。該超大質量恒星模型不僅成功再現了它們的極端亮度，還吻合其光譜中若干關鍵特征（即它們所發射的不同波長的光）。

小紅點的一個獨特特征是其光譜中呈現出明顯的V形凹陷。一些解釋認為，這種形狀源于塵埃對光線的吸收，從而使得天體呈現出偏紅的外觀。

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早期宇宙中一顆超大質量恒星的示意圖。（圖片來源：詹姆斯韋布空間望遠鏡（背景），南達爾等人（插圖））

根據新模型，這種形狀是由恒星的大氣層（即其外層）產生的。因此，造成該效應的并非塵埃對光線的改變，而是恒星自身的大氣層。

如果超大質量恒星確實存在——我們認為它們是存在的，因為第三星族星應當真實存在——那么一個小紅點恰恰是它們最理想的藏身之處。南達爾說道。

他提出，V形凹陷和偏紅的外觀也可能與恒星的質量損失有關，其機制在某種程度上類似于太陽的日冕物質拋射。但在這種情形下，恒星拋出的物質會在其周圍形成一個致密的殼層狀結構。這一質量損失的具體機制尚未完全明確。研究團隊正致力于改進恒星外層大氣的理論模型，并進一步檢驗脈動——即恒星有節奏的膨脹與收縮——是否能夠將物質從恒星表面抬升出去，從而形成一個分離的氣體殼層；該殼層冷卻后會使恒星發出的光整體偏紅。

這項研究作為一項理論探討是行之有效的，未參與該研究的樸茨茅斯大學宇宙學與引力研究所高級講師丹尼爾惠倫向《生活科學》雜志表示，它表明，一顆超大質量恒星可以再現部分‘小紅點’光譜的特征。

天文學家估計，如此大質量的恒星僅能保持明亮約10000年。若其質量較小——介于1萬至10萬倍太陽質量之間——則可發光長達百萬年。原因很簡單：恒星質量越大，核燃料消耗得越快。

如果微小紅點是處于坍縮為黑洞前最后階段的超大質量恒星，那么可供觀測的時間窗口就更短了。研究團隊指出，正是由于這類天體需要兼具極端質量與極短壽命這兩個條件，因此并非所有微小紅點都能用這一新模型加以解釋。

這是一個極其短暫的時間窗口，惠倫說，這使得很難解釋為何會發現大約400到500個紅色小點，如果它們的壽命很短的話。

這個還是那個？

另一種關于小紅點的主流解釋涉及吸積物質的黑洞，這類黑洞可能源于早期宇宙中氫氣云的直接坍縮，而無需先形成普通恒星。惠倫對超大質量恒星模型是否優于該黑洞理論持懷疑態度。我看不出它相較于黑洞解釋具有明顯優勢，他指出。

如果這些天體是正在吸積物質的黑洞，那么在某些階段，我們可能會觀測到X射線輻射逸出，南達爾解釋道，明確探測到X射線活動將有力支持活動星系核（AGN）的解釋。

正在經歷混沌吸積或爆發的黑洞，其光度應表現出一定的變化性。然而，迄今為止，在微紅點天體中尚未觀測到明確的亮度變化。若能探測到某種閃爍現象，則將更支持活動星系核（AGN）活動的解釋，從而基本排除超大質量恒星模型，因為此類恒星的輻射輸出通常更為穩定。

圍繞小紅點的詳細光譜測量，若能揭示其周圍化學物質的豐度，將有助于支持或排除超大質量恒星的物理解釋。

答案其實就在成分之中——這種氣體由什么構成？南達爾說。此前的模擬研究表明，超大質量恒星通過核反應向周圍環境釋放大量氮元素。另一方面，強烈的氖發射線則更可能表明存在活動星系核（AGN）活動。

惠蘭指出，如果存在黑洞，其產生的X射線可能被周圍塵埃完全吸收；而這些黑洞發出的射電波則能夠穿透致密的氫云和塵埃，從而逃逸至太空。

這意味著，利用平方公里陣列（SKA）或下一代甚大陣列（ngVLA）等高靈敏度射電觀測設施，有望對此作出決定性檢驗。如果‘小紅點’天體確實由被氣體塵埃包裹的直接坍縮黑洞提供能量，那么射電波將能夠穿透出來，我們便能探測到它們。惠倫表示。

南達爾，D。，與洛布，A。（2026）。超大質量恒星與詹姆斯韋布太空望遠鏡觀測到的微紅點的光譜特征相吻合。《天體物理學雜志》，998卷（1期），124頁。doi。org10。384715384357ae32f3

黑洞小測驗：你對宇宙的了解有多超大質量？

BY: Shreejaya Karantha

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參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自： https://www.livescience.com/space/astronomy/mysterious-little-red-dots-discovered-by-james-webb-telescope-may-be-the-first-stars-in-the-universe-on-the-verge-of-collapse

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