北京大学物理学院江林华教授团队揭示宇宙早期“小红点”天体的超大质量黑洞本质
- 2026/9/22 9:45:46 471
- 来源：北京大学
【仪表网 研发快讯】北京大学科维理天文与天体物理研究所和物理学院江林华教授团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)等多波段观测数据，发现了两个宇宙早期“小红点”天体正在向典型的活动星系核或类星体转变(图1)。该发现首次为小红点的演化命运提供了直接观测线索，表明至少部分小红点是超大质量黑洞快速成长过程中的早期短暂阶段。相关研究成果以“The discovery of two little red dots in transition into quasars”为题，于2026年9月16日正式发表于《自然・天文》(Nature Astronomy)期刊，博士研究生傅淑琦和张子键为论文共同第一作者。
类星体是宇宙中最明亮的天体之一，它们的能量来自星系中心正在吞噬周围物质的超大质量黑洞，即活动星系核。当大量气体落入黑洞附近时，会释放出强烈的辐射，使类星体在百亿光年之外仍然能够被观测到。作为最明亮的活动星系核，类星体还会通过辐射、外流和喷流影响宿主星系的形成与演化。然而，一个长期问题仍未解决：这些巨大黑洞最初是如何快速成长起来的？
近年来，JWST发现了一类新的致密红色天体，因其在图像中通常非常致密而偏红，被称为小红点(little red dots)。它们的光谱能量分布呈现独特的V字形，即紫外波段偏蓝而光学波段很红。许多小红点还具有很宽的氢原子发射线，表明其核区存在高速运动的电离气体，这暗示其中心可能存在快速吸积的超大质量黑洞。奇怪的是，绝大多数小红点缺少典型活动星系核应有的强X射线、射电和红外辐射。换句话说，它们看起来像是正在成长的黑洞，却又不像普通类星体那样完全显露。因此，小红点究竟是什么？它们是否会演化为普通活动星系核或类星体？这些问题一直存在争议。
为了寻找答案，江林华团队基于JWST在COSMOS深场天区的多波段图像和光学形态构建了小红点天体样本，并将样本与钱德拉COSMOS巡天X射线源表进行交叉匹配，发现了两个非常特殊的小红点，命名为Forge I和Forge II。这两个天体位于红移2.871和2.930处，也就是说，我们看到的是它们在约110亿年前的状态。它们都符合小红点的标准定义：明显的V形光谱能量分布(图2a)，紧致的光学形态(图2b)，线宽达到每秒数千公里宽的发射线和独特的吸收线等(图2c)。与普通小红点不同的是，Forges同时表现出强烈的X射线、射电和中红外辐射。这些信号正是典型活动星系核和类星体的重要标志。
团队进一步利用JWST/NIRCam F444W无缝光谱研究两个天体的谱线性质。光谱显示出的He I、Paγ和O I发射线线宽达到每秒数千公里，证实其中心存在活动星系核。基于Paschen发射线宽度和1微米连续谱光度，团队估算出Forge I和Forge II的中心黑洞质量分别约为3.7亿倍和8.2亿倍太阳质量，已经达到类星体级别(图2d)。两个天体还显示出复杂的气体运动。它们的光谱中存在很强的He I吸收线，可能表明气体正在向黑洞附近回落，而Forge II中还可能存在蓝移的Paδ吸收线，暗示部分气体正在向外流出(图2c)。这些说明黑洞周围的气体环境并非平静结构，而是处在快速变化的过渡状态。
多波段图像分解和光谱能量分布建模进一步揭示了这一过渡图像。研究发现，两个天体在紫外波段仍主要由宿主星系或扩展星云成分贡献，但在光学到近红外波段逐渐由中心点源主导。它们还具有显著的中红外辐射，可能来自正在形成的热尘埃环。目前认为普通小红点可能是被高密度气体包裹的快速成长黑洞。在这一阶段，致密气体包层会吸收或阻挡大量高能辐射，使X射线、射电和中红外信号难以逃逸。而Forge I和Forge II的特征则表明它们可能正处在包层逐渐消散的阶段。随着中心黑洞逐渐吸积和反馈，其质量快速增长，而周围的气体包层开始变得多孔或被清除，X射线和射电辐射得以逃逸，同时外围的热尘埃结构开始形成。
在COSMOS天区中，团队共发现7个红移3左右、具有宽发射线的小红点，其中只有Forge I和Forge II表现出这种过渡特征。通过比较过渡天体与类似红移全部小红点的数密度，团队估计这一过渡阶段可能只占小红点生命周期的约6%。说明该阶段非常短暂，也解释了为何过去很难直接捕捉到此类天体。
以上结果为小红点如何演化提供了关键观测证据，表明至少部分小红点是超大质量黑洞成长过程中的早期阶段，同时也表明小红点本质上由快速吸积的超大质量黑洞所驱动。
该研究得到国家自然科学基金委等单位的资助。
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