在“绿豌豆”中寻找“小红点”，探究黑洞生长之谜

由于光速传播的延时效应，我们观测的宇宙实际上是以前的样子。距离我们越远的区域，对应着越古老的宇宙（早期宇宙），而与我们临近的区域，则对应相对年轻的宇宙（近邻宇宙）。在早期宇宙中，存在一种神秘的“小红点”天体，与黑洞的演化密切相关。而近邻宇宙中，有一类和早期宇宙里的年轻星系非常相似的星系，称作“绿豌豆”。中国科学院上海天文台牵头的国际合作科研团队发现了7例特殊的“绿豌豆”星系，与早期宇宙中存在的“小红点”特征类似。对这些特殊的“绿豌豆”开展研究，有望揭示“小红点”的物理本质，并进一步优化黑洞早期演化模型。

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早期宇宙的“红色谜点”

何谓“小红点”？这要从一张照片说起。此前，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄到宇宙刚诞生几亿年的“婴儿”照（图1）。科学家们从中发现了一些奇怪的“小红点”。它们形态极端致密，颜色发红。

▲图1：JWST的NIRCam相机发现的早期宇宙（宇宙年龄约6亿年-15亿年处）里6例“小红点”天体

这意味着黑洞可能先于星系演化。因此，“小红点”的发现，预示着早期宇宙中，黑洞可能会比预期更快地增长。

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近邻宇宙的“绿色矮人”

2009年，斯隆数字巡天（SDSS）面向大众开放星系动物园（Galaxy Zoo）项目。

在这一项目中，一些天文爱好者发现了一类特殊天体。它们具有很强的r波段辐射且图像形态致密，像一颗颗绿色的豌豆，因此被称为“绿豌豆”星系。

▲图2：左图来自宇宙年龄9.6亿年处的“小红点”天体；右图来自宇宙年龄103亿年处的“绿豌豆”星系。图像尺寸匹配JWST和SDSS的空间分辨能力

观察发现，部分“绿豌豆”星系中显示出活动星系核的活动迹象，体现了核区超大质量黑洞活动的特征。因此，系统搜寻研究“绿豌豆”星系能够帮助天文学家更深入地了解早期星系的形成与演化。

并且，JWST正式运行后释放的首批光谱也显示出宇宙婴儿时期星系的光谱和近邻宇宙处“绿豌豆”星系的光谱高度相似（图3）。

▲图3：JWST首批释放的早期宇宙（宇宙年龄约6.5亿年处）年轻星系的光谱与近邻宇宙（宇宙年龄约126亿年处）“绿豌豆”星系高度相似

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LAMOST助力发现

“绿豌豆”中的“小红点”

既然近邻宇宙的“绿豌豆”星系和早期宇宙里的年轻星系非常相似，那么在近邻宇宙里是否能发现与早期宇宙“小红点”天体的相似个体呢？

自2018年起，中国科学院上海天文台早期宇宙与高红移星系团组联合国内外多个科研团队，利用我国大科学装置郭守敬望远镜（LAMOST），构建了世界最大的“绿豌豆”星系的光谱样本，并开展了系统性研究工作。

包括搜寻其中的双活动星系核样本、系统研究其X射线性质，搜寻其中的中等质量黑洞样本，以及本次工作的搜寻及研究“小红点”天体的相似样本。

此次发现的7个“绿豌豆”星系样本都有致密形态、V型的紫外-可见光能谱和氢原子宽线特征（图4），它们在紫外光度、黑洞吸积率、电离状态、气相金属丰度等方面也具有“小红点”天体的特征。

▲图4：近邻宇宙对应体与高红移“小红点”天体的光谱及能谱对比（左）以及发射线光谱谱型（右）

这个发现可能表明，早期宇宙并不是唯一能产生“小红点”天体的地方，而且黑洞可以在宇宙的不同时期“爆发式生长”。

近邻宇宙更便于科研人员开展深入观测，通过比较研究揭示“小红点”天体的物理性质。

总之，无论是宇宙深处的“小红点”，还是近邻宇宙的“小绿点”都说明，宇宙可能比人们想象的更精彩！

来源：中国科学院上海天文台