韦伯揭示了黑洞在其星系之前形成
韦伯揭示了黑洞在其星系之前形成。图片来源：CC0 公有领域
（神秘的地球uux.cn）据NASA：先有星系，还是先有黑洞？我们不知道，但科学家们长期认为可能是星系本身：现有星系中的大型恒星消耗燃料后坍缩形成黑洞，黑洞可以吞噬周围物质并随着时间合并形成更大规模的实体。
但很难弄清楚，质量是太阳数百万到数十亿倍的黑洞——在早期宇宙中已经探测到数千个黑洞——如何能从如此微小的种子中如此迅速地生长出来。
现在，利用NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的研究人员发现了明确证据，表明一些超大质量黑洞从一开始就非常巨大，形成时没有恒星坍缩阶段，也没有显著更大的宿主星系来供养。
英国剑桥大学的罗伯托·迈奥利诺（Roberto Maiolino）表示：“这是一个非凡的发现，他是《自然》杂志和皇家天文学会月刊研究的合著者。“这是一次范式转变，彻底重温了黑洞形成和成长的经典情景。”
小红点 QSO1
团队的结论基于对Abell2744-QSO1（QSO1）的详细观测，该小红点是一个典型的红点，存在于大爆炸后仅7亿年。
尽管QSO1直径仅1300光年，其光已传播超过130亿年，但它比大多数其他小红点更容易研究，因为它被星系团阿贝尔2744（潘多拉星系团）引力透镜覆盖。QSO1既被放大又三重成像，出现在天空的三个不同位置。
对QSO1的初步研究显示，它可能不过是环绕着一个估计质量为太阳4000万倍的超大质量黑洞的发光氢氦气体云。但与韦伯发现的其他早期黑洞一样，是否真的那么大存在不确定性。
“此前，早期宇宙中所有对黑洞的质量测量都是间接的，基于我们在本地宇宙中对它们的认知。我们当时并不知道这些假设是否真的适用于遥远的宇宙，“剑桥大学的合著者弗朗切斯科·德尤金尼奥说。
气体成分与速度的映射
团队认识到，如果QSO1的黑洞质量如其外观所示，他们应能利用韦伯近红外光谱仪（NIRSpec）上的积分场单元（IFU）追踪其引力对周围气体的影响，同时绘制气体中各种元素的分布图。
剑桥大学研究生伊格纳斯·尤奥兹巴利斯和佛罗伦萨大学的科西莫·马孔奇尼是其中一项研究的主要作者，他们利用IFU观测数据绘制了环绕黑洞的氢气运动图。当他们绘制自转速度随中心距离的函数时，发现气体具有开普勒运动：它绕中心点运行，方式类似于我们太阳系中的行星绕太阳运行。
尤奥兹巴利斯说：“这很重要，因为它告诉我们QSO1的大部分质量集中在中心的黑洞中。”“如果质量更分布，比如很多星星，气体就不会有这么完美的开普勒自转。”
由于开普勒运动受简单的引力定律支配，团队能够利用气体速度测量直接计算黑洞质量，这是此前前所未有的壮举。
他们发现，黑洞不仅巨大——大约有5000万个太阳质量——而且至少占QSO1总质量的惊人三分之二。这一比例是邻近星系的数千倍，而近邻星系中超大质量黑洞仅占宿主星系总质量的极小部分。
使用说明书的成分图支持了这些结果，显示整个QSO1的气体几乎完全是氢和氦，很少有像氧气这样的较重元素，而氧气是一个富含恒星和恒星碎片的星系所期望的。QSO1的金属丰度不到太阳的0.5%，是有史以来测量到的最原始的星系环境之一。
“这是一个非凡的成绩，”迈奥利诺说。“这是大爆炸后头十亿年内首次直接测量黑洞质量，且与之前的测量结果一致。”团队认为这是一个好迹象，表明用于间接质量测量的假设是有效的，早期宇宙中其他黑洞的质量并未被高估。
超大质量黑洞起源
QSO1相对于宿主星系的巨大质量表明，它不可能是由更小的恒星质量黑洞合并和吞噬逐渐形成的。
Juodžbalis说：“我们似乎发现了一个没有实质宿主星系的黑洞，且早于恒星过程。”“这非常令人兴奋，因为它是原始黑洞或直接坍缩黑洞的证据，这些理论已被提出但尚未得到证实。”
无论QSO1的黑洞是从大爆炸第一秒内形成的“重种子”进化而来，还是在一团巨大气体云崩溃后进化而来，它几乎可以肯定是大而存在的，可能正处于围绕它构建星系的早期阶段。
团队认为像QSO1这样的小红点在早期宇宙中不可能稀有，正在分析类似天体，以确定超大质量黑洞是否真的早于它们目前所在的星系存在。
出版信息
Ignas Juodžbalis 等人，《高红移小红点中的直接黑洞质量测量》，《自然》（2026）。DOI：10.1038/s41586-026-10579-4
Roberto Maiolino等，《大爆炸后7亿年附近原始星系中的黑洞》，英国皇家天文学会月报（2026年）。DOI：10.1093/mnras/staf2109
