天文学家们发现了「永恒之地」翁法罗斯

　　在浩瀚的宇宙中，星系相撞并非稀罕事。近日刊登在美国天体物理学报上的一篇文章就报告了这么一个发现，来自美国耶鲁大学和丹麦哥本哈根大学的研究团队利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）发现了一个极不寻常的星系系统——它不仅形态独特，还可能孕育了一个活跃的超大质量黑洞。这一系统被命名为“∞星系”，因为它的外形就像是一个无限符号。

　　图1.由哈勃空间望远镜的光学巡天相机（HSC/ACS）与韦布空间望远镜近红外相机（JWST/NIRCAM）拍摄的多波段的“∞星系”的图像。图源：参考文献 [1]

　　研究团队在JWST的COSMOS-Web巡天项目（注1）中偶然发现了这个系统。它距离地球约80亿光年（宇宙学红移z=1.14）。图1左上角的彩色图像是由JWST/NIRCAM F090（0.9微米），F115（1.15微米），F150（1.5微米）三个近红外宽波段的图像合成而来。可以看到∞星系有两个非常紧凑的红色核心，每个核心外面都环绕着一个明亮的环状结构，就像是两只“星之眼”遥遥相望。这两个核心在观测投影面上的间距约10千秒差距（3.3万光年），整体形态极像一个对称的∞符号。

　　注1：COSMOS-Web巡天是JWST在第一轮观测中完成的项目之一，涵盖了0.6平方度（略大于一个满月）的天区，共计花费了255个小时用NIRCAM F115W, F150W, F277W, F444W滤镜，以及中红外仪器MIRI进行了成像。参考文献[2]

　　这样的双环结构在天文学上罕见，但并非没有先例。例如距离我们更近的的II Hz 4星系，也是两个盘状星系正面相撞后形成的“碰撞环星系”，但是不如∞星系这般对称（见文末图）。当两个星系几乎正面相遇时，冲击波会将盘面恒星推成向外扩展的环，同时触发新的恒星形成。研究团队推测，∞星系的两个核心分别是两个由大量恒星组成的紧凑的核球区，他们将之命名为∞ NW和∞ SE，并根据模型推算得它们的质量分别约为800亿和1800亿倍的太阳质量。它们在一次近乎正面的相撞中幸存下来，并形成了对称的恒星环。通过分析两个核心的相对速度和距离，团队推算它们相撞的时间约为5000万年前。

　　如果故事仅止于“双核+双环”，它只是一个漂亮的碰撞环星系。但更令人震惊的发现是，这个系统也许孕育了一个活跃的超大质量黑洞，而且这个超大质量黑洞并不位于上文提到的任何一个核球区域中，而是悬在两个环状结构之间！（图2.此事在《崩坏：星穹铁道》中亦有记载）

　　图2. 超大质量黑洞在∞星系中位置的示意图。图源：星轨航图翁法罗斯——《崩坏：星穹铁道》

　　图3.正经的论文数据，左图为根据JWST/NIRCAM F150W数据制作的电离气体发射线强度图。中间图为甚大天线GHz的强度等高线图。右侧图为钱德拉X-射线 Kev的强度图，每个色块是一个像素，左下角的数字代表了接收到的X射线光子的数量，越明亮的色块X-射线越强。图源：参考文献 [1]

　　通过凯克望远镜的光谱，团队在两个星环的相交处观测到了高电离度的发射线W波段（对应红移后的Hα、[N II]、[S II]发射线）的成像也显示，在这个位置有一片极其明亮的延伸数千秒差距的电离氢气体云（图3左）。简单来说，图中越明亮的地方说明就有越多的电离气体，可以很明显的看到，这些气体聚集在两个星环之间，而非中间的核球区域。这些气体分布方向与两个核心连线几乎垂直，就像被一场大规模冲击波挤压并甩在两个星系核心之间。而产生这样的电离气体需要极其强大的能量源（比如太阳就是一个巨大的等离子体球），再结合VLA在3吉赫兹的射电观测和钱德拉X射线千电子伏特能量段的数据，团队认为在两个星环的交界处存在一个活跃超大质量黑洞（注2）。更诡异的是，这个黑洞的径向速度正好介于两个核心的速度之间——仿佛它真的“卡”在两者的中点上。

　　注2：黑洞并不都“黑”，当黑洞大量吸积附近的物质时会发出在所有频率波段都极其明亮的光，天文学家们称这样活跃的星系级黑洞为活动星系核（AGN），也因为其看起来酷似恒星，也称其为类星体（quasar），见图4。

　　图4.活动星系核（AGN）的结构示意图，虽然天文学家们无法直接观测到黑洞本身，但是能通过其吸积周围物质发出的明亮的射电，X射线辐射，以及周围被电离的气体间接地判断黑洞的存在。图源：《崩坏：星穹铁道》v3.4过场动画

　　1. 隐藏的第三个星系黑洞可能是某个质量极小的第三星系的核心，但这个星系太暗，被黑洞的亮度掩盖。不过这种情况少见，因为在低质量星系中很少见到如此明亮的活动星系核。

　　2. 被甩出的黑洞在星系或黑洞合并中，动力学过程可能将黑洞“踢”出原来的星系核，使其在星系间漂泊。但这种情况下，黑洞位置和速度恰好介于两个核心之间的概率很低。

　　3. 碰撞中原地诞生（研究团队最感兴趣的）在两个星系正面相撞的瞬间，盘面气体会被强烈压缩和加热。如果条件极端——密度高、湍流强、冷却受抑制——气体云可能发生直接坍缩，在几千万年内形成一个“重种子”黑洞（质量可达数十万倍太阳质量），并迅速吸积成长到了当前规模。

　　团队根据计算假设，如果两个星系的碰撞始于5000万年前，并且如果这个黑洞正是在那时诞生并以接近爱丁顿极限（注3）的速率吸积，那么初始质量可能在30万倍太阳质量左右。这意味着我们或许正见证一个超大质量黑洞从“婴儿期”走向“青年期”的过程——这在天文学上极其罕见，我们如今观测到的星系级黑洞大多是已经成长“成熟”的黑洞。

　　注3：爱丁顿极限是传统的黑洞模型认为的黑洞吸积率的极限，也就是理论上最快的成长速度。

　　如果这一假设成立，它将提供第一个直接观测证据，证明在适当的极端条件下，超大质量黑洞可以在星系碰撞中“原地生成”（图5），而不是必须依赖早期宇宙的恒星残骸或长期增长。这将对我们理解黑洞的形成时间线、质量分布以及与星系演化的关系产生深远影响。

　　图5.团队对∞星系中超大质量黑洞形成的第三种解释，两个星系在碰撞时在中间形成了一团致密的气体云，这团气体云直接坍缩成了一个黑洞并留在了那里。另一方面，星系的盘面则在碰撞中扩散成了星环。图源：参考文献 [1]

　　同时，∞星系还可能是三黑洞系统：两个核心各自应有一个质量约十亿太阳质量的黑洞（只是并不活跃或者被遮蔽了起来），加上中间这个“新生”黑洞——这也是一座动力学上的“三体”实验室。

　　在未来，研究团队计划利用JWST的NIRSpec积分视场光谱仪获取更精细的速度场和元素丰度分布，确认中间气体是否与黑洞同速——如果黑洞和气体“同心同速”，那将强烈支持“直接坍缩”模型；反之，如果它有明显速度偏差，则更可能是一个流浪或被甩出的黑洞。

　　由基特峰4米望远镜（左）与暗能量望远镜（右）拍摄的另一个星环星系II Hz 4。