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作者：“開拓者”遠(yuǎn)山真理

校對：待回歸開拓者(*｀▽′*)

審核：牧夫天文校對組

美編：蘇奕月

后臺：李子琦

在浩瀚的宇宙中，星系相撞并非稀罕事。近日刊登在美國天體物理學(xué)報上的一篇文章就報告了這么一個發(fā)現(xiàn)，來自美國耶魯大學(xué)和丹麥哥本哈根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）發(fā)現(xiàn)了一個極不尋常的星系系統(tǒng)——它不僅形態(tài)獨(dú)特，還可能孕育了一個活躍的超大質(zhì)量黑洞。這一系統(tǒng)被命名為“∞星系”，因?yàn)樗耐庑尉拖袷且粋€無限符號。

圖1.由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)巡天相機(jī)（HSC/ACS）與韋布空間望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)（JWST/NIRCAM）拍攝的多波段的“∞星系”的圖像。圖源：參考文獻(xiàn) [1]

01

歲月啊，激起往昔的漣漪

研究團(tuán)隊(duì)在JWST的COSMOS-Web巡天項(xiàng)目（注1）中偶然發(fā)現(xiàn)了這個系統(tǒng)。它距離地球約80億光年（宇宙學(xué)紅移z=1.14）。圖1左上角的彩色圖像是由JWST/NIRCAM F090（0.9微米），F(xiàn)115（1.15微米），F(xiàn)150（1.5微米）三個近紅外寬波段的圖像合成而來?？梢钥吹健扌窍涤袃蓚€非常緊湊的紅色核心，每個核心外面都環(huán)繞著一個明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，就像是兩只“星之眼”遙遙相望。這兩個核心在觀測投影面上的間距約10千秒差距（3.3萬光年），整體形態(tài)極像一個對稱的∞符號。

注1：COSMOS-Web巡天是JWST在第一輪觀測中完成的項(xiàng)目之一，涵蓋了0.6平方度（略大于一個滿月）的天區(qū)，共計(jì)花費(fèi)了255個小時用NIRCAM F115W, F150W, F277W, F444W濾鏡，以及中紅外儀器MIRI進(jìn)行了成像。參考文獻(xiàn)[2]

這樣的雙環(huán)結(jié)構(gòu)在天文學(xué)上罕見，但并非沒有先例。例如距離我們更近的的II Hz 4星系，也是兩個盤狀星系正面相撞后形成的“碰撞環(huán)星系”，但是不如∞星系這般對稱（見文末圖）。當(dāng)兩個星系幾乎正面相遇時，沖擊波會將盤面恒星推成向外擴(kuò)展的環(huán)，同時觸發(fā)新的恒星形成。研究團(tuán)隊(duì)推測，∞星系的兩個核心分別是兩個由大量恒星組成的緊湊的核球區(qū)，他們將之命名為∞ NW和∞ SE，并根據(jù)模型推算得它們的質(zhì)量分別約為800億和1800億倍的太陽質(zhì)量。它們在一次近乎正面的相撞中幸存下來，并形成了對稱的恒星環(huán)。通過分析兩個核心的相對速度和距離，團(tuán)隊(duì)推算它們相撞的時間約為5000萬年前。

02

晚星啊，莫讓我長夜獨(dú)臥

如果故事僅止于“雙核+雙環(huán)”，它只是一個漂亮的碰撞環(huán)星系。但更令人震驚的發(fā)現(xiàn)是，這個系統(tǒng)也許孕育了一個活躍的超大質(zhì)量黑洞，而且這個超大質(zhì)量黑洞并不位于上文提到的任何一個核球區(qū)域中，而是懸在兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)之間！（圖2.此事在《崩壞：星穹鐵道》中亦有記載）

圖2. 超大質(zhì)量黑洞在∞星系中位置的示意圖。圖源：星軌航圖翁法羅斯——《崩壞：星穹鐵道》

圖3.正經(jīng)的論文數(shù)據(jù)，左圖為根據(jù)JWST/NIRCAM F150W數(shù)據(jù)制作的電離氣體發(fā)射線強(qiáng)度圖。中間圖為甚大天線陣（VLA）在3GHz的強(qiáng)度等高線圖。右側(cè)圖為錢德拉X-射線望遠(yuǎn)鏡在0.5-7 Kev的強(qiáng)度圖，每個色塊是一個像素，左下角的數(shù)字代表了接收到的X射線光子的數(shù)量，越明亮的色塊X-射線越強(qiáng)。圖源：參考文獻(xiàn) [1]

通過凱克望遠(yuǎn)鏡的光譜，團(tuán)隊(duì)在兩個星環(huán)的相交處觀測到了高電離度的發(fā)射線。 JWST在紅外F150W波段（對應(yīng)紅移后的Hα、[N II]、[S II]發(fā)射線）的成像也顯示，在這個位置有一片極其明亮的延伸數(shù)千秒差距的電離氫氣體云（圖3左）。簡單來說，圖中越明亮的地方說明就有越多的電離氣體，可以很明顯的看到，這些氣體聚集在兩個星環(huán)之間，而非中間的核球區(qū)域。這些氣體分布方向與兩個核心連線幾乎垂直，就像被一場大規(guī)模沖擊波擠壓并甩在兩個星系核心之間。而產(chǎn)生這樣的電離氣體需要極其強(qiáng)大的能量源（比如太陽就是一個巨大的等離子體球），再結(jié)合VLA在3吉赫茲的射電觀測和錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡在0.5-7千電子伏特能量段的數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為在兩個星環(huán)的交界處存在一個活躍超大質(zhì)量黑洞（注2）。更詭異的是，這個黑洞的徑向速度正好介于兩個核心的速度之間——仿佛它真的“卡”在兩者的中點(diǎn)上。

注2：黑洞并不都“黑”，當(dāng)黑洞大量吸積附近的物質(zhì)時會發(fā)出在所有頻率波段都極其明亮的光，天文學(xué)家們稱這樣活躍的星系級黑洞為活動星系核（AGN），也因?yàn)槠淇雌饋砜崴坪阈?，也稱其為類星體（quasar），見圖4。

圖4.活動星系核（AGN）的結(jié)構(gòu)示意圖，雖然天文學(xué)家們無法直接觀測到黑洞本身，但是能通過其吸積周圍物質(zhì)發(fā)出的明亮的射電，X射線輻射，以及周圍被電離的氣體間接地判斷黑洞的存在。圖源：《崩壞：星穹鐵道》v3.4過場動畫

對于這樣一個不在星系核里的超大質(zhì)量黑洞，團(tuán)隊(duì)提出了三種可能：

1. 隱藏的第三個星系
黑洞可能是某個質(zhì)量極小的第三星系的核心，但這個星系太暗，被黑洞的亮度掩蓋。不過這種情況少見，因?yàn)樵诘唾|(zhì)量星系中很少見到如此明亮的活動星系核。

2. 被甩出的黑洞
在星系或黑洞合并中，動力學(xué)過程可能將黑洞“踢”出原來的星系核，使其在星系間漂泊。但這種情況下，黑洞位置和速度恰好介于兩個核心之間的概率很低。

3. 碰撞中原地誕生（研究團(tuán)隊(duì)最感興趣的）
在兩個星系正面相撞的瞬間，盤面氣體會被強(qiáng)烈壓縮和加熱。如果條件極端——密度高、湍流強(qiáng)、冷卻受抑制——?dú)怏w云可能發(fā)生直接坍縮，在幾千萬年內(nèi)形成一個“重種子”黑洞（質(zhì)量可達(dá)數(shù)十萬倍太陽質(zhì)量），并迅速吸積成長到了當(dāng)前規(guī)模。

03

詩者啊，從我處訴說起源

團(tuán)隊(duì)根據(jù)計(jì)算假設(shè)，如果兩個星系的碰撞始于5000萬年前，并且如果這個黑洞正是在那時誕生并以接近愛丁頓極限（注3）的速率吸積，那么初始質(zhì)量可能在30萬倍太陽質(zhì)量左右。這意味著我們或許正見證一個超大質(zhì)量黑洞從“嬰兒期”走向“青年期”的過程——這在天文學(xué)上極其罕見，我們?nèi)缃裼^測到的星系級黑洞大多是已經(jīng)成長“成熟”的黑洞。

注3：愛丁頓極限是傳統(tǒng)的黑洞模型認(rèn)為的黑洞吸積率的極限，也就是理論上最快的成長速度。

如果這一假設(shè)成立，它將提供第一個直接觀測證據(jù)，證明在適當(dāng)?shù)臉O端條件下，超大質(zhì)量黑洞可以在星系碰撞中“原地生成”（圖5），而不是必須依賴早期宇宙的恒星殘骸或長期增長。這將對我們理解黑洞的形成時間線、質(zhì)量分布以及與星系演化的關(guān)系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

圖5.團(tuán)隊(duì)對∞星系中超大質(zhì)量黑洞形成的第三種解釋，兩個星系在碰撞時在中間形成了一團(tuán)致密的氣體云，這團(tuán)氣體云直接坍縮成了一個黑洞并留在了那里。另一方面，星系的盤面則在碰撞中擴(kuò)散成了星環(huán)。圖源：參考文獻(xiàn) [1]

同時，∞星系還可能是三黑洞系統(tǒng)：兩個核心各自應(yīng)有一個質(zhì)量約十億太陽質(zhì)量的黑洞（只是并不活躍或者被遮蔽了起來），加上中間這個“新生”黑洞——這也是一座動力學(xué)上的“三體”實(shí)驗(yàn)室。

在未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用JWST的NIRSpec積分視場光譜儀獲取更精細(xì)的速度場和元素豐度分布，確認(rèn)中間氣體是否與黑洞同速——如果黑洞和氣體“同心同速”，那將強(qiáng)烈支持“直接坍縮”模型；反之，如果它有明顯速度偏差，則更可能是一個流浪或被甩出的黑洞。

參考文獻(xiàn):

[1] van Dokkum, Pieter, et al. "The∞ Galaxy: A Candidate Direct-collapse Supermassive Black Hole between Two Massive, Ringed Nuclei." The Astrophysical Journal Letters 988.1 (2025): L6.

[2] Casey, Caitlin M., et al. "COSMOS-Web: an overview of the JWST Cosmic Origins Survey." The Astrophysical Journal 954.1 (2023): 31.

[3]《崩壞：星穹鐵道》官方轉(zhuǎn)推

責(zé)任編輯：甘林

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由基特峰4米望遠(yuǎn)鏡（左）與暗能量望遠(yuǎn)鏡（右）拍攝的另一個星環(huán)星系II Hz 4。

圖源：參考文獻(xiàn)[1]

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