摘自《天文爱好者》原创 赵冬瑶
VFTS 243的艺术想象图。图源：ESO/L. Calçada
一个国际天文学家团队在大麦哲伦云中发现了一个休眠的恒星级黑洞（VFTS 243），这是第一个在银河系之外明确探测到的此类黑洞。VFTS 243至少是太阳质量的9倍，围绕着一颗质量为25倍太阳质量的炽热蓝色恒星运动。该研究发表在2022年7月18日的《自然天文学》杂志上。
一般寻找恒星级黑洞是通过观测它们强烈的X射线辐射来进行的，但如果一个黑洞没有强烈的X射线辐射，那么它就是“休眠”的。天文学家认为休眠的恒星级黑洞是普遍存在的，但是由于与周围环境没有过多的相互作用，休眠的黑洞特别难以被发现，目前我们对它们几乎一无所知。
寻找这种休眠的恒星级黑洞也可以通过寻找双星系统来尝试。在双星系统中，两颗恒星围绕彼此转动，其中质量较大的恒星会吸积伴星的物质，最终在其自身引力的作用下发生坍缩，形成恒星级黑洞。此时双星轨道上就会留下一个黑洞和一颗发光的伴星。该研究团队在最近两年多的时间里，利用欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的观测数据，在大麦哲伦云的狼蛛星云区域检验了近1000颗大质量恒星，其中包括了VFTS 243，希望能找到黑洞双星系统。
虽然天文学家多年来一直知道VFTS 243是一个双星系统，但它是恒星-恒星还是恒星-黑洞系统并不清楚。该项目的研究人员使用了一种称为spectral disentangling的先进技术。这种技术可以将来自VFTS 243的光进行成分分解，类似于白光入射棱镜时会被分解成不同的波长成分。分析表明，VFTS 243的光来自单一的源，而不是来自两颗独立的恒星。由于没有从恒星旁边的天体探测到辐射，唯一可能的结论就是VFTS 243双星系统中的第二个天体是一个黑洞，它成为了银河系外发现的第一个休眠黑洞。
VFTS 243还使天文学家能够更多的了解恒星级黑洞的形成过程。一般认为，当一颗垂死的大质量恒星坍缩时，除了形成黑洞，还会伴随有超新星爆发。VFTS 243的黑洞与伴星处于圆形轨道这一观测事实，有力地证明了黑洞的前身星似乎没有发生过超新星爆发，否则黑洞可能会被踢出系统，或者超新星爆发至少会破坏轨道使其不能保持圆形。该项研究提供了恒星“直接坍缩”最直接的证据，为大质量恒星晚期的演化过程提供了新的图景，为恒星物理带来了新的思考。
图：天炉座星系团中的矮星系NGC1427A。如果它被暗物质晕包围，则它不应该是观测到的被扰动不对称的形态。图源：ESO
标准宇宙学模型预言了暗物质的存在。暗物质是看不见的，与其他物质只有引力相互作用。由德国波恩大学和英国圣安德鲁斯大学领导的一项新研究挑战了标准宇宙学模型。该项研究的结果表明，距离地球第二近的星系团：天炉座星系团，其中的矮星系的性质没有表明暗物质的存在。该研究发表于2022年6月25日的《皇家天文学会月刊》。
星系团是一个大型的引力束缚系统，包含有上百到上千个星系。标准宇宙学模型认为，星系团约90%的物质可能是暗物质，而星系只占星系团质量的约1%。因此，星系团及其成员星系是检验和理解暗物质的理想对象，尤其是其中的矮星系。矮星系是小质量且暗弱弥散的星系，它们特别容易受到引力潮汐作用的影响，从而形态受到扰动甚至被撕扯破坏，而受扰动程度则取决于假设的引力定律、以及它们是否具有暗物质晕（标准宇宙学模型认为每个星系都被一个暗物质晕所包围）。该项研究就是基于分析矮星系受到来自星系团引力潮汐作用的干扰程度，来检验标准宇宙学模型。
天炉座星系团拥有大量的矮星系可以使研究团队开展工作。欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的最新观测表明，天炉座星系团中的一些矮星系看起来是扭曲的，暗示着它们受到了星系团引力潮汐的干扰。但是根据标准宇宙学模型，天炉座星系团中的矮星系不应该出现这种扭曲的形态，因为这些矮星系的暗物质晕应该保护它们避免遭受星系团引力带来的潮汐撕扯。此外，观测数据表明在天炉座星系团中心区域没有发现矮星系，这暗示着矮星系在中心区域已经被破坏了。如果利用标准宇宙学模型解释这种观测结果，则作用在矮星系上的引力潮汐强度比矮星系自身引力弱64倍时，它们就可以被撕扯破坏了。这不仅违反直觉，而且与之前的观测研究相矛盾：扭曲破坏矮星系所需的外力与矮星系的自身引力大致相同。
因此，对于观测到的星系团中矮星系的形态和分布，该项目的研究人员认为标准宇宙学模型不能对此进行自洽的解释。他们进而使用了另一种理论，也即Milgromian dynamics（MOND），对该现象进行了重复分析。MOND理论没有假设星系周围存在暗物质晕，而是提出了对牛顿动力学的修正，通过该修正，引力在低加速度状态下经历了提升。结果表明MOND的理论预测与VLT的观测之间存在着显著的一致性。
之前已经有很多研究对暗物质如何影响星系动力学和星系演化进行了检验。越来越多的结果表明，星系没有被暗物质包围时可以更好的解释观测数据，这些结论对基础物理学和宇宙学将产生重大影响。
图：确认了的四个JWST发现的高红移星系，它们处于距今至少113亿年以前。图源：NASA, ESA, CSA, STScI
詹姆斯•韦布太空望远镜（JWST）于2021年12月25日发射升空，经过大约7个月后，JWST正式开始了全面的观测工作。目前，JWST已经发现了十几个破纪录的遥远星系，其中有几个星系甚至可以追溯到宇宙大爆炸后仅仅2亿多年，红移高达14-16。这些结果令人十分兴奋，也展现出了JWST远远超出预期的强大能力。
从宇宙大爆炸后30万年开始，宇宙进入“黑暗时代”，期间宇宙空间充满着中性氢原子，光线不能穿过它们到达地球。而当宇宙大爆炸后约5亿年开始，第一代星系形成，星系辐射出的高能光子可以电离周围空间中的氢原子。随着星系的不断形成，电离区域逐渐扩大并相互连结，最终宇宙中的气体达到高度电离，光线又可以穿过它们被地球接收到，这个时期被称为“再电离时期”。再电离时期是宇宙演化的关键阶段，初代天体如何电离周围物质、初代天体的性质和数量等重要问题，目前还是我们认知的空白。探测高红移星系，尤其是发现第一代星系是揭开再电离时期秘密的关键。JWST重要的科学目标之一就是观测遥远的宇宙，研究第一代星系的形成和演化。
在JWST发射之前，确认的已知最遥远的星系是GN-z11，被发现于宇宙大爆炸后约4.2亿年，其红移约为11.6。2022年7月12日，JWST面向公众发布了第一组全彩图像和光谱数据 ，仅仅一周后，天文学家就宣告在红移13处发现了星系，这相当于宇宙大爆炸后约3亿年。随着观测的进行，一波波JWST新的研究结果正在不断打破这一记录。得克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队利用JWST的数据发现了一个处于宇宙大爆炸之后2.8亿年、红移为14.3的星系。与此同时，爱丁堡大学的研究团队发现了一个红移为16.7的候选星系，处于宇宙大爆炸后仅2.5亿年。所有这些星系都超过了哈勃空间望远镜创造的红移记录。
JWST的高红移星系都显示出了强烈的紫外辐射的证据，这将帮助解决再电离时期中性氢电离的争论。此外，之前的研究认为在红移11以上星系数量大量减少、恒星形成率急剧下降。而JWST的结果已经初步暗示了在大爆炸之后不到3亿年的时间里宇宙中已经充满了星系，暗示了恒星形成随着红移的增大是逐渐下降的。
JWST发现的如此遥远的星系，使天文学家看到了星系演化非常早期的阶段。接下来的问题是JWST到底可以看到多早期的宇宙？天文学家认为宇宙中最早的星系可能存在于红移25或更高，JWST或许可以发现第一代星系。
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