摘要：
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。... 作者：丁旭恒（武汉大学物理科学与技术学院天文系教授）
宇宙起始于何时？它怎样形成了现在的样子？未来又将走向何方？自古以来，人们总是凝视着夜空，渴望解开宇宙的种种谜团。这既源于人类与生俱来的探究欲，也关乎人类自身的长远福祉。为了探查宇宙的奥秘，人类向太空部署了众多探测器，其中，詹姆斯·韦布太空望远镜是当前最顶尖的太空观测设备之一，它正不断收集宇宙早期形成的证据。
宇宙早期有哪些未解之谜？
十四亿八千五百万年前，宇宙自一种超乎想象的炽热致密状态兴起，这便是人们常说的“宇宙大爆炸”。不过，这并非寻常的爆裂，而是空间自身发生迅猛扩张，犹如气球被迅速充气。
宇宙形成之初，数亿年间慢慢降温，但依旧黑暗无光，像是天色将明未明时的漫长黑夜。那个阶段被称作“宇宙黑暗时代”，由于当时没有任何恒星或星系出现，无法照亮那片辽阔的宇宙空间。
在大爆炸发生后的四亿年时光里，宇宙终于迎来了曙光，首批恒星与星系逐渐显现，照亮了原本的幽暗空间，从而宣告了“黑暗时代”的终结，并正式开启了“黎明时期”。
那些出现在宇宙初期的星系，跟如今夜空里遇见的邻近成年星系有着显著差异。它们多数个头更小，构造更紧凑，而且行为十分狂放——仿佛是精力旺盛的少年。在这些早期星系之中，特别惹眼的当属类星体。它们如同宇宙的耀眼灯塔，光芒源自星系核心隐匿的超级质量黑洞：黑洞不断吸食邻近物质，会喷涌出令人咋舌的庞大能量，其辉度甚至能压过寄宿星系所有星辰的总亮度！
但是，一个重大疑问接踵而至。天文学家们感到十分意外，他们观察到，当宇宙年龄还不到十亿年，处于“幼年期”阶段时，就已经出现了一些质量非常巨大、构造颇为完善的星系，以及质量达到太阳数十亿倍的巨型黑洞。这些宇宙“巨婴”，究竟是如何在短暂的宇宙幼年期快速形成的？这一难题至今仍让研究人员感到困惑。
更让人不解的是，那些远古星系核心的巨型黑洞，仿佛与它们所在的星系有着某种神秘的联结：研究指出，黑洞的质量越高，其依附的星系里恒星的总体积也往往越庞大。这种紧密的相互关系，在现在的宇宙里已经被明确验证。必须承认，黑洞和星系在物理尺寸上存在极为显著的差距——单个超大质量黑洞的引力作用区域或许不足1光年，而它所在的星系整体宽度却可达数十万光年。这种情况十分形象，可以类比为：一枚微不足道的绿豆（黑洞）与一艘体型硕大的巨型邮轮（星系），两者在体积上有着惊人的反差，但似乎通过某种隐秘的联系相互牵制，并且同步发展。这一内在的协调原理，现在依然是天体物理学上最为隐秘的难题之一。要破解这个难题，核心是要弄清楚宇宙诞生之初是否已经形成了这种联系。
黑洞的“家园”什么样？
研究宇宙形成的早期阶段，必须借助先进的观测设备。詹姆斯·韦布太空望远镜（简称JWST）就是此类尖端仪器的代表。它是当前人类制造的最精密的空间望远镜，于2021年成功送入轨道。这架望远镜功能独特，好比一位探索古代文明的学者，能够接收来自遥远时空的光芒，让我们得以亲眼见证宇宙诞生初期，也就是如今年龄的百分之五时的真实景象。
JWST有何与众不同之处？重要原因之一是它主要探测红外光。远古星系发出的光线，经过宇宙膨胀作用发生“拉伸”（红移），转变成了红外光。这好比一张转速减慢的旧唱片，必须借助专用装置才能恢复原声。JWST配备的精密装置，专门用于分析来自宇宙深处的微弱讯号，从而揭示早期星系与黑洞的奥秘。
二零二三年，由武汉大学及北京大学天文学家牵头组建的国际合作小组，借助詹姆斯韦伯太空望远镜的高分辨率近红外成像设备，识别出两个位于地球之外超过一百三十亿光年远端的类星体所在星系。团队借助NIRCam获取了这些星系的影像资料，并且顺利地区分出了星系核心部位异常光亮的类星体，也就是活跃度极高的黑洞，这种点状光源，以及其周边亮度较低的宿主星系光芒。这项工作的挑战性，好比在刺眼的探照灯照射下寻觅一只微小的萤火虫。这一成果，仿佛是找到了记载宇宙狂暴发展阶段的宝贵文献。
测量结果十分惊人，第一颗恒星系统的质量大约为1300亿倍太阳质量，误差区间在200亿到3300亿倍太阳质量之间，第二颗恒星系统则相对小一些，不过其质量也有大约340亿倍太阳质量，误差范围从19亿到110亿倍太阳质量不等，它们核心的黑洞质量分别是14亿和2倍太阳质量。值得注意的现象是，这些黑洞的重量和其所在星系恒星重量的对比，跟当前宇宙中通过观察得出的模式非常接近。
这一发现明显表明，黑洞和其所在星系之间的相互影响过程，或许在宇宙非常早的时期，即它尚为幼年阶段时，就已经形成并启动。这好比发现一个学龄前儿童的身体比例（比如身高和体重的比例）已经接近成年人，完全颠覆了研究者对宇宙构造发展进程速度的既有观念。
谁给星系“青春期”踩下“急刹车”？
团队接下来的工作借助了JWST的高分辨率光谱仪（NIRSpec），深入探究了两个类星体宿主星系的恒星构成情况。
研究发现，多数恒星诞生于宇宙初期（大爆炸发生后的7亿至8亿年之间）。出乎意料的是，根据光波特征所获信息，这些星系都遭遇过一场猛烈的“恒星急剧增生”现象——即在极短的岁月里（数千万年之内），迅猛地创造出了天文数字般的恒星。以某个星系为例，其恒星诞生速度曾一度高达每年约2000倍太阳质量的惊人程度。这相当于银河系当前恒星形成率的数千倍。
不过，星系所谓的“迅猛发展时期”十分短暂。光谱里显著的巴尔末吸收线，加上缺少电离气体放出的光，说明它们迅速用尽了气体原料，转入了“星暴结束期”。星系里面几乎没有新生恒星的迹象，显示它们庞大的“恒星制造基地”已经大体停工。打个比方，它们好比经历快速成长之后，又过早地中止了发育。
究竟是什么原因让这场狂野的星体生成过程突然中断呢？研究人员开始关注星系核心的黑洞以及它产生的巨大影响——黑洞在大量吸收物质时会释放出惊人的能量，形成猛烈的辐射流和星际风。这种能量就像一场席卷整个星系的猛烈风暴，能够将正在形成恒星的低温气体原料加热、赶走，甚至完全逐出星系范围。失去了“原材料”，恒星形成自然戛然而止。
呈现了一种巧妙的“自我调控”现象：黑洞借助吞噬物质而不断增强，而其喷发的剧烈能量又反过来限制宿主星系的持续发展。最终，两者在剧烈的相互作用下达成一种动态稳定，彼此促进变化。这一发现，首次在宇宙早期直接观测到这一重要机制，明确证实了黑洞在星系形成过程中具有关键控制作用。
宇宙发展历程中，原始的混沌状气体团块，在引力影响下，众多恒星开始汇聚，慢慢组成了各种样式的星系结构。银河系，就是一个拥有数以百亿计恒星的“宇宙中的聚落”；太阳，仅是这聚落里的一颗普通发光体；地球，也只是围绕它运转的一颗幸运的岩石。
人类文明却是在这颗星球上出现的，它由此启程，探寻着宇宙的起始，同时也在思索着自身在广阔时间里的方位。
JWST取得了革命性成果，刷新了人类对星系形成过程的了解：宇宙早期阶段并非逐步扩张，而是仿佛启动了加速模式，迅速造就了众多大型星系和巨型黑洞。这些宇宙中的庞然大物快速形成，并且彼此间联系紧密，表明了一种深奥的宇宙发展模式，黑洞和星系并非各自为政，反而像一对配合默契的舞伴，在宇宙的广阔舞台上携手谱写着宏伟的乐章。
不过，仍有许多未解之谜亟待破解，诸多基础疑问依然悬而未定：早期宇宙加速演进的巨型黑洞初始形态究竟怎样迅速生成？黑洞对星系发展进程的影响又怎样精确地加以控制？宇宙形成初期，是否还存在其他尚未被揭示的星系与黑洞共存形态……
该研究集体打算在此范畴内不断钻研，盼望往后能对众多诞生于宇宙“幼年阶段”的类星体以及它们所依附的星系开展细致研究。
你问我答
问：为什么要了解宇宙形成的早期情况？
丁旭恒：探明宇宙诞生的初期状况，有助于揭示宇宙的起源和演变规律。
借助探究宇宙初始形态及幼年期星系与黑洞，研究人员得以认识宇宙如何从最初炽热稠密的状态，逐步降温并孕育出繁复构造——此过程犹如追溯生命发育历程，从而锁定重要发端与演变节点。
另外，在首批恒星与星系诞生之前，宇宙一直笼罩在黑暗之中，直到它们的光芒驱散了这一漫长阶段的昏暗，开启了宇宙的漫漫长夜。探究这个阶段，有助于揭示宇宙构造的形成过程及其演变轨迹。
更加引人入胜的是，宇宙初期就存在体积巨大的黑洞以及它们所在的星系，黑洞与星系之间有着奇特的相互依存联系，这种联系对星系的发展具有决定性意义，黑洞吞食邻近物质时爆发的强大能量，能够控制和改变周围恒星的生成，发挥着“减速器”的效果，避免星系快速地制造恒星。明白这种互动关系，有助于揭示宇宙变化的谜团，也能使我们认识银河系等许多星系的形成情形。
此外，研究宇宙起源促进了尖端天文探测仪器的进步，比如JWST太空望远镜，这种设备堪称“历史探测器”，能够捕捉远古的光芒，使我们仿佛化身宇宙历史学家，清晰地观察宇宙往昔的面貌。
明白宇宙的底层疑问，可以满足人类探究天地万物及自身本源的求知欲，有助于增进我们认识地球以及人类在宇宙间所站位置的理解，还能促进科学技术的前进和文明社会的繁荣。
根据当前的研究发现，银河系里有多少个黑洞？这些黑洞是否会对地球构成危险？
丁旭恒：依照当前天文学观测，银河系内大概分布着数千万乃至上亿个黑洞，这些黑洞多数属于“恒星级黑洞”，它们源自大质量恒星在生命终结时的坍缩，体积相对较小，质量大约是太阳质量的数倍至数十倍；少数则为“中等质量黑洞”。另外，银河系核心部位存在一个超大质量黑洞，即人马座A*，其质量达到了太阳质量的四百万倍。
这些黑洞不会直接威胁地球安全。银河系里的黑洞大多离太阳系很远，它们之间的间隔极其巨大。恒星级黑洞虽然也在银河系里移动，但它们的引力作用范围很小，不可能吞没非常遥远的天体。比如，人马座A*黑洞虽然质量庞大，但它距离地球大约26000光年，它的引力对地球毫无影响。
整体而言，现阶段我们尚未探测到存在威胁地球的黑洞，研究人员将持续关注所有可能接近地球的天体，包括黑洞在内。
《光明日报》（2025年07月31日 16版）
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