韦布望远镜的一个惊世骇俗的新发现

可能是首个由气体直接坍缩而成的超大质量黑洞。

韦布拍摄的“无穷大星系”。

NASA / ESA / CSA / STScI / P. van Dokkum (Yale University）

“无穷大星系（Infinity Galaxy）”这个名字本身就已经够古怪的了，最近詹姆斯·韦布太空望远镜却又在这个奇特星系内发现了更加惊世骇俗的东西——一个直接由气体和尘埃坍缩而成的超大质量黑洞。

“无穷大星系”之所以会有这么一个古怪的名字，是因为它的外形看起来就像数学中的无穷大符号“∞”。但它实际上是两个星系。这两个原本呈碟状的星系正处于正面冲突的过程中。冲突导致这两个星系各自产生了一个圆形的星环，并且连接在一起，看上去就像一个无穷大符号。

以耶鲁大学Pieter van Dokkum为首的一个科研团队在韦布望远镜拍摄的“无穷大星系”照片中发现，在这两个星系正中间的一个巨大的气体云团内部，存在着一个超大质量黑洞。这个黑洞似乎不属于第三方，也不属于发生碰撞的两个星系，它并非来自别处，而是就在这个云团内诞生的。

如果这一推断属实，那将是人类第一次获得观测证据，证明超大质量黑洞可以直接由气体坍缩而成。

超大质量黑洞，是指质量超过太阳百万甚至百亿倍的巨型黑洞。几乎所有大星系的中心都有一个。

对于超大质量黑洞的形成机制，当前主要有两种看法。一种认为它们是在小型恒星级黑洞基础上，通过一级级合并逐渐长大的。小型恒星级黑洞的质量只有太阳的大约千倍，它们必须先经历恒星阶段。它们是大质量恒星生命结束时，由恒星的内核坍缩而来的。而且它们必须在有限空间和有限时间内通过合并快速成长，才能达到超大质量的级别。一般认为以这种方式成长的黑洞要达到超大质量级别至少需要10亿年。

但是韦布望远镜近年来在宇宙诞生后不足5亿年的遥远时空中，发现了很多已经成型的超大质量黑洞。这让科学家倍感困惑，因为理论上它们根本没有时间长这么大。

第二种看法认为，可能不是所有超大质量黑洞都需要经历这么漫长的成长过程。条件合适时，质量超过太阳百万倍的超大质量黑洞“种子”，可以在气体云中直接诞生。

但是究竟在什么情况下，这些“巨大的种子”才会出现仍是一个谜。根据现有认识，大质量的气体云发生坍缩后会优先形成恒星而非黑洞。也许宇宙中存在着某种机制，能够避免这一趋势。但这样的机制究竟是什么？在现实中又如何运行？都是未解之谜。

这也是研究人员对“无穷大星系”如此着迷的主要原因。

研究人员推测这两个星系在发生碰撞的过程中，星系内部的气体被震荡和压缩后，部分形成了一个极端致密的“结”，并直接坍缩成了超大质量黑洞，

韦布拍摄的“无穷大星系”。曲线展现的是由一个超大质量黑洞产生的射电发射。

NASA / ESA / CSA / STScI / VLA / P. van Dokkum (Yale University）

说这个黑洞是直接形成的，当然也不是空穴来风。

研究人员发现这个黑洞相当活跃。钱德拉X射线太空望远镜和甚大望远镜数据表明它在产生X射线和射电波。而且这个位于两个星系核之间的超大质量黑洞周边有大片主要成分为氢的等离子气体。

重要的是，研究人员发现黑洞和黑洞周边气体的运动参数是基本一致的。它们的运动方向一致，且速度都是大约每秒50千米。这说明它不是一个被甩出来的失控黑洞。

研究人员也没有在韦布的照片中发现现场存在“第三者”的迹象。假如这个黑洞属于第三方，那么我们应该会看到它残留下的星系其余部分——除非它是一个昏暗的矮星系——但矮星系容纳超大质量黑洞的概率很低。

另一个可以对此加以佐证的发现是，这两个星系核内的超大质量黑洞都依然在原位。

所以就算不能斩钉截铁地说这就是一个经由直接坍缩过程形成的超大质量黑洞，研究人员也有信心表明，韦布望远镜提供的数据，强有力地支持了相关判断以及超大质量黑洞的“巨大种子”论。

参考 NASA’s Webb Finds Possible 'Direct Collapse' Black Hole https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-webb-finds-possible-direct-collapse-black-hole