天文学家发现罕见银河系系统 “无限”银河或揭示宇宙最大黑洞成因

天文学家近日确认了一个罕见的银河系系统，这一发现或成为迄今为止关于极端条件下超大质量黑洞形成机制的最有力证据。该天体被昵称为“无限（Infinity）”银河，由耶鲁大学的Pieter van Dokkum与哥本哈根大学的Gabriel Brammer通过分析美国国家航空航天局（NASA）韦伯空间望远镜（JWST）存档数据发现。

该银河位于红移z=1.14，距离地球超过80亿光年。红移是天文学中用于测量星体距离、速度及宇宙膨胀现象的一种现象——当光线被拉伸至更长波长时便会出现红移。

JWST拍摄显示，这一系统拥有两个致密银河核，每个核的恒星质量约为太阳的10¹¹倍，二者间相距约10千秒差距。两核都被恒星环或壳包围，形成类似“8”字形的结构，与无限符号形态相似。这一形态也与附近的II Hz 4系统颇为近似，后者则由两盘状银河正面碰撞形成碰撞环。

通过凯克天文台、甚大阵列（VLA）和NASA的钱德拉X射线天文台后续观测，科学家们确认了一个正处于活跃吸积状态的超大质量黑洞的存在。值得注意的是，这一黑洞既不位于任何一个核的内侧，而是在二者之间的位置和速度上处于中间。该黑洞在射电与X射线波段表现出类似类星体的高光度，显示出其迅速增长的态势。

JWST近红外相机（NIRCam）在F150W滤镜下探测到额外的发射，显示该黑洞嵌于强烈Hα谱线发出的氢气体中。该发射等效宽度达400至2000埃，指示出极度电离、剧烈湍动的环境。这部分气体包围整个系统，在碰撞区呈现出如“子弹星系团”般的冲击与压缩特征。

此外，两颗银河核本身也拥有活跃的超大质量黑洞，总计使该系统成为“三黑洞”结构。但中央黑洞似乎是在碰撞气体中原地形成，而并非由两银河中的任何一个携带进入。研究人员推测，这一现象或是直接塌缩（direct collapse）的实例，即巨大气体云在重力作用下直接塌缩为黑洞，无需先分裂成恒星。

这一发现也为早期黑洞成因理论争论提供了新线索。传统的“轻种子”理论认为黑洞始于恒星遗骸，通过合并不断变大，但难以解释JWST在宇宙早期观测到的十亿太阳质量黑洞的迅速诞生。而“重种子”理论则假设黑洞由气体云直接塌缩而成，这条路径更为快捷，但此前缺乏观测支持。“无限”银河的结构、气体分布与中央黑洞都为直接塌缩理论提供了有力证据。

后续需要更多模拟和JWST光谱观测来验证是否真的发生了直接塌缩。如果得到确认，“无限”银河将成为该过程的首个直接观测证据，为早期超大质量黑洞的迅速形成提供了新的解释。

“……我们认为正亲眼见证一颗超大质量黑洞的诞生，这是前所未有的，”van Dokkum表示。

目前，“无限”银河作为罕见而复杂的系统存在：两颗质量巨大的银河正碰撞，三颗活跃黑洞共现，其中中央黑洞或正处于诞生的关键时刻。