摘自《天文愛好者》原創(chuàng) 趙冬瑤

VFTS 243的藝術(shù)想象圖。圖源：ESO/L. Cal?ada

一個國際天文學(xué)家團隊在大麥哲倫云中發(fā)現(xiàn)了一個休眠的恒星級黑洞（VFTS 243），這是第一個在銀河系之外明確探測到的此類黑洞。VFTS 243至少是太陽質(zhì)量的9倍，圍繞著一顆質(zhì)量為25倍太陽質(zhì)量的熾熱藍色恒星運動。該研究發(fā)表在2022年7月18日的《自然天文學(xué)》雜志上。

一般尋找恒星級黑洞是通過觀測它們強烈的X射線輻射來進行的，但如果一個黑洞沒有強烈的X射線輻射，那么它就是“休眠”的。天文學(xué)家認為休眠的恒星級黑洞是普遍存在的，但是由于與周圍環(huán)境沒有過多的相互作用，休眠的黑洞特別難以被發(fā)現(xiàn)，目前我們對它們幾乎一無所知。

尋找這種休眠的恒星級黑洞也可以通過尋找雙星系統(tǒng)來嘗試。在雙星系統(tǒng)中，兩顆恒星圍繞彼此轉(zhuǎn)動，其中質(zhì)量較大的恒星會吸積伴星的物質(zhì)，最終在其自身引力的作用下發(fā)生坍縮，形成恒星級黑洞。此時雙星軌道上就會留下一個黑洞和一顆發(fā)光的伴星。該研究團隊在最近兩年多的時間里，利用歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（VLT）的觀測數(shù)據(jù)，在大麥哲倫云的狼蛛星云區(qū)域檢驗了近1000顆大質(zhì)量恒星，其中包括了VFTS 243，希望能找到黑洞雙星系統(tǒng)。

雖然天文學(xué)家多年來一直知道VFTS 243是一個雙星系統(tǒng)，但它是恒星-恒星還是恒星-黑洞系統(tǒng)并不清楚。該項目的研究人員使用了一種稱為spectral disentangling的先進技術(shù)。這種技術(shù)可以將來自VFTS 243的光進行成分分解，類似于白光入射棱鏡時會被分解成不同的波長成分。分析表明，VFTS 243的光來自單一的源，而不是來自兩顆獨立的恒星。由于沒有從恒星旁邊的天體探測到輻射，唯一可能的結(jié)論就是VFTS 243雙星系統(tǒng)中的第二個天體是一個黑洞，它成為了銀河系外發(fā)現(xiàn)的第一個休眠黑洞。

VFTS 243還使天文學(xué)家能夠更多的了解恒星級黑洞的形成過程。一般認為，當(dāng)一顆垂死的大質(zhì)量恒星坍縮時，除了形成黑洞，還會伴隨有超新星爆發(fā)。VFTS 243的黑洞與伴星處于圓形軌道這一觀測事實，有力地證明了黑洞的前身星似乎沒有發(fā)生過超新星爆發(fā)，否則黑洞可能會被踢出系統(tǒng)，或者超新星爆發(fā)至少會破壞軌道使其不能保持圓形。該項研究提供了恒星“直接坍縮”最直接的證據(jù)，為大質(zhì)量恒星晚期的演化過程提供了新的圖景，為恒星物理帶來了新的思考。

圖：天爐座星系團中的矮星系NGC1427A。如果它被暗物質(zhì)暈包圍，則它不應(yīng)該是觀測到的被擾動不對稱的形態(tài)。圖源：ESO

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型預(yù)言了暗物質(zhì)的存在。暗物質(zhì)是看不見的，與其他物質(zhì)只有引力相互作用。由德國波恩大學(xué)和英國圣安德魯斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究挑戰(zhàn)了標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。該項研究的結(jié)果表明，距離地球第二近的星系團：天爐座星系團，其中的矮星系的性質(zhì)沒有表明暗物質(zhì)的存在。該研究發(fā)表于2022年6月25日的《皇家天文學(xué)會月刊》。

星系團是一個大型的引力束縛系統(tǒng)，包含有上百到上千個星系。標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型認為，星系團約90%的物質(zhì)可能是暗物質(zhì)，而星系只占星系團質(zhì)量的約1%。因此，星系團及其成員星系是檢驗和理解暗物質(zhì)的理想對象，尤其是其中的矮星系。矮星系是小質(zhì)量且暗弱彌散的星系，它們特別容易受到引力潮汐作用的影響，從而形態(tài)受到擾動甚至被撕扯破壞，而受擾動程度則取決于假設(shè)的引力定律、以及它們是否具有暗物質(zhì)暈（標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型認為每個星系都被一個暗物質(zhì)暈所包圍）。該項研究就是基于分析矮星系受到來自星系團引力潮汐作用的干擾程度，來檢驗標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型。

天爐座星系團擁有大量的矮星系可以使研究團隊開展工作。歐洲南方天文臺甚大望遠鏡（VLT）的最新觀測表明，天爐座星系團中的一些矮星系看起來是扭曲的，暗示著它們受到了星系團引力潮汐的干擾。但是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型，天爐座星系團中的矮星系不應(yīng)該出現(xiàn)這種扭曲的形態(tài)，因為這些矮星系的暗物質(zhì)暈應(yīng)該保護它們避免遭受星系團引力帶來的潮汐撕扯。此外，觀測數(shù)據(jù)表明在天爐座星系團中心區(qū)域沒有發(fā)現(xiàn)矮星系，這暗示著矮星系在中心區(qū)域已經(jīng)被破壞了。如果利用標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型解釋這種觀測結(jié)果，則作用在矮星系上的引力潮汐強度比矮星系自身引力弱64倍時，它們就可以被撕扯破壞了。這不僅違反直覺，而且與之前的觀測研究相矛盾：扭曲破壞矮星系所需的外力與矮星系的自身引力大致相同。

因此，對于觀測到的星系團中矮星系的形態(tài)和分布，該項目的研究人員認為標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型不能對此進行自洽的解釋。他們進而使用了另一種理論，也即Milgromian dynamics（MOND），對該現(xiàn)象進行了重復(fù)分析。MOND理論沒有假設(shè)星系周圍存在暗物質(zhì)暈，而是提出了對牛頓動力學(xué)的修正，通過該修正，引力在低加速度狀態(tài)下經(jīng)歷了提升。結(jié)果表明MOND的理論預(yù)測與VLT的觀測之間存在著顯著的一致性。

之前已經(jīng)有很多研究對暗物質(zhì)如何影響星系動力學(xué)和星系演化進行了檢驗。越來越多的結(jié)果表明，星系沒有被暗物質(zhì)包圍時可以更好的解釋觀測數(shù)據(jù)，這些結(jié)論對基礎(chǔ)物理學(xué)和宇宙學(xué)將產(chǎn)生重大影響。

圖：確認了的四個JWST發(fā)現(xiàn)的高紅移星系，它們處于距今至少113億年以前。圖源：NASA, ESA, CSA, STScI

詹姆斯?韋布太空望遠鏡（JWST）于2021年12月25日發(fā)射升空，經(jīng)過大約7個月后，JWST正式開始了全面的觀測工作。目前，JWST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了十幾個破紀錄的遙遠星系，其中有幾個星系甚至可以追溯到宇宙大爆炸后僅僅2億多年，紅移高達14-16。這些結(jié)果令人十分興奮，也展現(xiàn)出了JWST遠遠超出預(yù)期的強大能力。

從宇宙大爆炸后30萬年開始，宇宙進入“黑暗時代”，期間宇宙空間充滿著中性氫原子，光線不能穿過它們到達地球。而當(dāng)宇宙大爆炸后約5億年開始，第一代星系形成，星系輻射出的高能光子可以電離周圍空間中的氫原子。隨著星系的不斷形成，電離區(qū)域逐漸擴大并相互連結(jié)，最終宇宙中的氣體達到高度電離，光線又可以穿過它們被地球接收到，這個時期被稱為“再電離時期”。再電離時期是宇宙演化的關(guān)鍵階段，初代天體如何電離周圍物質(zhì)、初代天體的性質(zhì)和數(shù)量等重要問題，目前還是我們認知的空白。探測高紅移星系，尤其是發(fā)現(xiàn)第一代星系是揭開再電離時期秘密的關(guān)鍵。JWST重要的科學(xué)目標(biāo)之一就是觀測遙遠的宇宙，研究第一代星系的形成和演化。

在JWST發(fā)射之前，確認的已知最遙遠的星系是GN-z11，被發(fā)現(xiàn)于宇宙大爆炸后約4.2億年，其紅移約為11.6。2022年7月12日，JWST面向公眾發(fā)布了第一組全彩圖像和光譜數(shù)據(jù) ，僅僅一周后，天文學(xué)家就宣告在紅移13處發(fā)現(xiàn)了星系，這相當(dāng)于宇宙大爆炸后約3億年。隨著觀測的進行，一波波JWST新的研究結(jié)果正在不斷打破這一記錄。得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究團隊利用JWST的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了一個處于宇宙大爆炸之后2.8億年、紅移為14.3的星系。與此同時，愛丁堡大學(xué)的研究團隊發(fā)現(xiàn)了一個紅移為16.7的候選星系，處于宇宙大爆炸后僅2.5億年。所有這些星系都超過了哈勃空間望遠鏡創(chuàng)造的紅移記錄。

JWST的高紅移星系都顯示出了強烈的紫外輻射的證據(jù)，這將幫助解決再電離時期中性氫電離的爭論。此外，之前的研究認為在紅移11以上星系數(shù)量大量減少、恒星形成率急劇下降。而JWST的結(jié)果已經(jīng)初步暗示了在大爆炸之后不到3億年的時間里宇宙中已經(jīng)充滿了星系，暗示了恒星形成隨著紅移的增大是逐漸下降的。

JWST發(fā)現(xiàn)的如此遙遠的星系，使天文學(xué)家看到了星系演化非常早期的階段。接下來的問題是JWST到底可以看到多早期的宇宙？天文學(xué)家認為宇宙中最早的星系可能存在于紅移25或更高，JWST或許可以發(fā)現(xiàn)第一代星系。