探索宇宙“婴儿期”

作者：丁旭恒（武汉大学物理科学与技术学院天文系教授）

宇宙何时诞生？如何呈现今天的面貌？又会如何发展？从古至今，人类一直在仰望星空，希冀探寻宇宙的奥秘。这既是为了满足人类与生俱来的好奇心，也是为了人类的永续发展。为了更加深入地了解宇宙，人类开始向太空发射卫星，其中，詹姆斯·韦布太空望远镜是迄今为止最先进的太空望远镜之一，它正在获取更多宇宙“婴儿期”的信息。

宇宙早期有哪些未解之谜？

大约138亿年前，宇宙从一次难以想象的极高温极高密状态中诞生，这便是大家熟知的“宇宙大爆炸”。然而，这并非普通的爆炸，而是空间本身剧烈膨胀，就像气球被瞬间吹大。

最初几亿年，宇宙逐渐冷却，却依然一片漆黑，如同黎明前的漫漫长夜。这一时期被称为“宇宙黑暗时代”，因为未有任何恒星或星系诞生来点亮这片广袤空间。

直到大爆炸约4亿年后，宇宙中才点亮了“第一盏灯”——第一批恒星和星系开始形成，终结了“黑暗时代”，宇宙终于迎来了“黎明时期”。

这些诞生于宇宙早期的星系，与今天在夜空中看到的近邻成熟星系大不相同。它们通常体积更小、结构更紧密，并且活动异常剧烈——就像充满活力的青少年。在这些早期的星系中，尤其引人注目的是类星体。它们是宇宙中极其明亮的“探照灯”，其光芒由星系中心潜伏的超大质量黑洞驱动：当黑洞贪婪地吞噬周围物质时，会释放出难以想象的巨大能量，其亮度甚至超越整个宿主星系所有恒星的总和！

然而，一个巨大谜团随之浮现。天文学家们惊讶地发现，在宇宙年龄尚不足10亿年，也就是宇宙“婴儿期”时，已经存在一些质量极其庞大、结构相对成熟的星系，以及质量高达太阳数十亿倍的超级黑洞。这些宇宙“巨婴”，是如何在短暂的宇宙童年里迅速形成的？这个问题至今困扰着科学家。

更令人费解的是，这些远古星系中心的超级黑洞，似乎冥冥中与它们所在的星系绑定在一起：观测显示，黑洞的质量越大，其宿主星系中恒星的总质量通常也越大。这种紧密关联性，在当今宇宙中已得到充分证实。要知道，黑洞与星系的物理尺度差异堪称天壤之别——一个超大质量黑洞的引力影响范围可能仅有不到1光年，而它所在的星系却横跨数十万光年。这就好比一颗微小的绿豆（黑洞）和一艘庞大的超级游轮（星系），两者尺寸悬殊，却仿佛被无形的纽带连接，协调一致地共同成长。这背后隐藏的同步机制，至今仍是宇宙学中最深奥的谜题之一。要解开这个谜题，关键在于探究宇宙极早期是否已存在这种关联。

黑洞的“家园”什么样？

探索宇宙“婴儿期”的奥秘，我们需要强大的“时间机器”。詹姆斯·韦布太空望远镜（简称JWST）正是这样一款“神器”。作为人类迄今建造的最强大的太空望远镜，JWST于 2021年发射升空。它如同一位宇宙考古学家，能捕捉来自遥远过去的光线，让我们直接观测宇宙年龄仅为现在5%时的模样。

为何JWST如此独特？关键之一在于它的主要观测波段在红外波段。来自远古星系的光线，在穿越膨胀的宇宙时被“拉长”（红移）到了红外波段。就像一张被放慢转速的老唱片，只有依靠特殊设备才能还原原始声音。JWST搭载的精密仪器，正是为了解析这些来自宇宙深处的微弱信号，揭开早期星系与黑洞的秘密。

2023年，由武汉大学和北京大学天文学家联合领导的国际团队，利用JWST的高灵敏度近红外相机（NIRCam），成功探测到了两颗距离地球超过130亿光年的类星体宿主星系。团队利用NIRCam拍摄了这些星系的图像，并成功将星系中心极其明亮的类星体（剧烈活动的黑洞）点光源，与周围相对暗淡的宿主星系光芒分离开来。这项任务的难度，堪比在耀眼的探照灯光旁寻找一只微弱的萤火虫。这一发现，如同找到了记录宇宙剧烈“青春期”的珍贵日记。

测量结果令人震惊：其中一个宿主星系的质量高达约1300亿倍太阳质量（误差范围200亿~3300亿）；另一个相对较小，但仍有约340亿倍太阳质量（误差范围19亿～110亿）。它们中心的黑洞质量则分别为14亿和2亿倍太阳质量。引人关注的是，这些黑洞质量与宿主星系恒星质量之间的比例关系，与现代宇宙中观测到的规律惊人地相似。

这一发现强烈暗示，黑洞与宿主星系之间的共同演化关系，可能在宇宙极早期，也就是当它还处于“婴儿期”时，就已经建立并开始运作。这就像发现一个幼儿园小朋友的身体比例（如身高与体重的比值）已经接近成年人，彻底挑战了科学家关于宇宙结构成长速度的传统认知。

谁给星系“青春期”踩下“急刹车”？

团队的后续研究则利用JWST的高分辨率光谱仪（NIRSpec），进一步剖析了该项目中两个类星体宿主星系的恒星组成。

分析揭示，星系中的大部分恒星形成于宇宙更早期的阶段（约大爆炸后7亿~8亿年）。令人惊讶的是，光谱数据表明，这些星系都经历过一次剧烈的“星暴”事件——即在极短的时间尺度内（仅数千万年），爆发式地形成了海量恒星。以其中一个星系为例，其恒星形成速率曾飙升至惊人的每年约2000倍太阳质量。这相当于银河系当前恒星形成率的数千倍。

然而，这些星系的“高速成长期”异常短暂。光谱中的关键线索——强烈的巴耳末吸收线，结合缺乏电离气体发射线表明，它们很快便耗尽了气体燃料，进入了“后星暴”阶段。这些星系中缺乏年轻恒星的踪迹，表明其大规模“造星工厂”已基本“关停”。打个比方，它们就像是经历了生长突增后，又过早停止了发育。

那么，是什么力量给这场疯狂的恒星诞生踩了“急刹车”？科学家们将目光投向了星系中心的黑洞及其强大的反馈作用——当黑洞贪婪吞噬物质时，会释放出难以想象的能量，造成强烈的辐射喷流和宇宙风。这股能量犹如一场席卷星系的超级风暴，能将孕育新恒星的冷气体燃料加热、驱散甚至吹出星系。失去了“原材料”，恒星形成自然戛然而止。

这描绘了一个精妙的“自我调节”图景：黑洞通过吸积物质壮大自身，同时其释放的狂暴能量又反过来抑制宿主星系的进一步扩张。最终，两者在激烈的互动中趋于一种动态平衡，共同演化。这次观测，首次在宇宙极早期直接捕捉到了这一关键过程，有力地证明了黑洞在星系演化中扮演着核心调节者的角色。

回望宇宙历史，从最初弥漫的混沌气体云中，经过引力作用，无数恒星逐渐聚集，最终形成了形态各异的星系。银河系，就是这样一个包含数千亿颗恒星的“宇宙岛屿”；太阳，只是其中一颗平凡的恒星；而地球，不过是环绕其运行的一粒幸运的行星。

然而，正是这颗行星上诞生的人类文明，开始了对宇宙起源的追溯和对自身在浩瀚时空中位置的思考。

JWST的突破性发现更新了我们对星系演化的认知：宇宙婴儿期并非缓慢生长，而是如同按下了“快进键”，在极短的时间内便完成了庞大星系和超级黑洞的“组装”。这些宇宙“巨婴”的迅速诞生及它们之间紧密的关联，揭示了一种深刻的宇宙演化规律——黑洞与星系绝非孤立存在，而更像一对默契共舞的搭档，在宇宙的宏大舞台上共同演绎着壮丽的篇章。

然而，还有更多谜题等待我们解答，许多根本性问题依然悬而未决：那些驱动早期宇宙“快进”的超级黑洞“种子”究竟如何快速形成？黑洞的反馈作用如何精确地调控星系的命运？在宇宙的“黎明时期”，是否还存在其他未被发现的星系与黑洞共生模式……

研究团队将在这一领域继续深耕，期待在未来对更多处于宇宙“婴儿期”的类星体及其宿主星系进行深度剖析。

你问我答

问：为什么要了解宇宙形成的早期情况？

丁旭恒：了解宇宙形成的早期情况，能帮助我们揭示宇宙的起源和发展规律。

通过研究宇宙刚诞生时的状态和“婴儿期”的星系与黑洞，科学家们可以理解宇宙是如何从一开始的高温高密状态，逐渐冷却并形成复杂结构的——这就像回看生命的成长过程，找到关键的起点和变化。

此外，直到第一批恒星和星系出现，它们发出的光打破了宇宙的“黑暗时代”，点亮了漫长的宇宙黎明。研究这段时期，可以帮助我们了解宇宙结构是如何形成和发展的。

更令人着迷的是，早期宇宙中存在着质量庞大的黑洞与它们的宿主星系，这种黑洞与星系之间奇妙的共生关系对星系的成长起着核心作用，黑洞吞噬周围物质时释放的巨大能量，可以调节和影响周围恒星的诞生，起到“急刹车”的作用，阻止星系过快地形成恒星。了解这种相互作用不仅揭开宇宙演化的秘密，也帮助我们理解包括银河系在内的众多星系的形成过程。

同时，探索宇宙早期推动了先进天文观测技术的发展，例如JWST太空望远镜，这种“时间机器”能看见古老光线，让我们像宇宙考古学家一样，直观地目睹宇宙过去的模样。

了解这些宇宙的根本问题，不仅能够满足人类对宇宙和自身起源的好奇心，也将加深我们对地球和整个人类在宇宙中位置的认知，激励科学进步和文明发展。

问：从目前的研究结果看，银河系中有多少黑洞？会对地球带来威胁吗？

丁旭恒：根据目前的天文学研究，银河系中估计存在数千万甚至上亿个黑洞。其中，大部分是“恒星级黑洞”，由大质量恒星死亡坍缩形成，它们体积较小、质量通常是太阳的几倍到几十倍；少数是“中等质量黑洞”。此外，银河系中心存在着一个超大质量黑洞——人马座A*，质量约为太阳的400万倍。

这些黑洞对地球没有直接危险。银河系中的黑洞基本上都远离太阳系，彼此之间的距离也非常遥远。虽然恒星级黑洞也像普通恒星一样在银河系中运动，但其引力影响范围有限，无法吞噬太过遥远的天体。例如，人马座A*黑洞虽然质量巨大，但距离地球约2.6万光年，其引力作用不会对地球造成威胁。

总的来说，我们目前还没有发现可能危及地球安全的黑洞，科学家们也将持续监测包括黑洞在内的可能靠近地球的天体。

《光明日报》（2025年07月31日 16版）