远古星系中发现“异形”黑洞

GN-z11 是天文学家近些年发现的距离我们最远的星系之一。超远的距离意味着它非常非常的年轻，可能只有 2~3 亿岁。如此年轻的一只星系幼崽却出乎意料地拥有一颗异常强大的“心脏”—— 中心黑洞。不过，这个黑洞与其说是“心脏”，倒不如说它更像是一只侵入体内的“异形”。因为它吞噬物质的速度有点太快了，以至于这只刚诞生不久的星系，或许再也无法迎来“长大成人”的那一天。

2015 年，天文学家通过哈勃和斯皮策太空望远镜，在大熊座方向发现了一个十分不起眼的暗红色天体。此时人们已经意识到，这个天体绝不简单，如此暗淡渺小意味着它离我们肯定非常远。

虽然已经有了心理预期，但当看到光谱测量结果出来后人们还是吃了一惊 —— 它的红移值（z）几乎达到了 11，于是“GN-z11”的名字也由此而来。11 的红移，意味着它发出的光经历了 134 亿年才到达地球，我们看到它的样子，则是大爆炸后 4 亿年的模样，而那时的宇宙还正处于远古的再电离时期。

在 JWST 出现以前，人们认为 GN-z11 是目前已发现的最遥远、最古老的星系。与银河系相比，它的大小只有银河系的 4%，质量更是仅有 1%。作为一个正在长身体的幼年星系，它的成长速度可谓快得惊人。要知道，宇宙的首批恒星大概诞生于大爆炸后 1 亿年左右。这意味着，该星系只用了 2~3 亿年，就形成了十亿规模的恒星，这个成长速度几乎是银河系的 20 倍。

我们知道，现如今大部分星系的中心都会有一个超大质量黑洞。但是对于 GN-z11 这么年轻的星系来说，形成一个超大质量黑洞时间上似乎不太够。其实不只是幼年星系，即使是现如今我们周围的那些成熟星系，以目前我们所了解的黑洞成长过程，它们中心的黑洞个头同样大得离谱。这其实也是科学界一直在探寻的一个未解之谜 —— 超大质量黑洞的起源问题。因此，找到一个足够年轻、甚至可能还没来得及形成中心黑洞的星系，或许就能帮助我们解开谜题。

正好，现在有了专攻红外波段的 JWST，那自然得好好瞅瞅这个目标。

2023 年 5 月，一篇发表于《皇家天文学月刊》上的文章中，牛津的一个研究团队针对光谱中的碳氮氧元素分析后认为，GN-z11 中除了恒星以外确实应该还有其他东西，不过至于其他东西是什么目前还不确定。因为对于这样一个年轻星系而言，即使考虑到它内部有着大量的巨型初代恒星，那也不足以解释它特殊的元素占比，因此研究人员给出了一些可能的猜测。

比如这里可能发生了某种潮汐破坏事件（TDE）。潮汐破坏事件也叫潮汐瓦解事件，它通常说的是某颗恒星由于太靠近一个超大引力源（比如说超大质量黑洞），从而被它的潮汐力撕碎瓦解。这个过程中会产生许多特殊的辐射，这些辐射如果仅靠恒星的正常演化是无法形成的。

此外，由于年轻星系中充满了原始气体，所以恒星形成得非常快，这里的恒星就像在星团里一样十分密集。于是，这些恒星之间不可避免地会发生碰撞，而恒星之间剧烈的碰撞也会产生相应的特殊光谱。

当然，类星体这种传统的解释也不能被排除。由于年轻星系中食物充足，这对星系中心的黑洞来说简直就是在吃自助餐。因此，年轻星系中心的黑洞极为活跃，被称为活动星系核（AGN）。这种活动星系核在疯狂吞噬周围气体的同时，它的吸积盘也会向外辐射出类似的特殊光谱。

总之，该研究团队认为，GN-z11 中有没有超大质量黑洞还很难说，因为除黑洞外还有许多其他可能性存在。

然而今年年初（2024 年 1 月），剑桥的一个研究团队在《自然》杂志也发表了一篇关于 GN-z11 的研究论文。相较于牛津团队的摇摆不定，剑桥团队则更加笃定中心黑洞的存在。

除了认为活动星系核比其他方式解释光谱特征更合适外，这次他们还在光谱中发现了类似喷流的特征。根据他们的理论模型，在红移 10~11 范围的星系中，如果有超大质量黑洞存在，它们的质量应该在 100 万~1000 万倍太阳质量之间。而针对 GN-z11 的计算显示，该黑洞的质量大约在 160 万倍太阳质量，正好符合理论预期。

现在的问题是：如果这个黑洞真的存在，那它是如何在 2~3 亿年里长到这么大的？没错，又回到了那个超大质量黑洞起源的问题。

目前可以认为，这些黑洞之所以这么大只能有两个可能：

第一，要么是它们天生就很大，也就是在星系还没形成之前它们就已经存在了。比如通过暗物质种子、原始气体云的直接坍缩等等。

第二，要么是它们可以通过一些我们还不了解的方式疯狂干饭，能够以至少 5 倍于正常黑洞的速度迅速成长。

如果这真的是一个正在饕餮般进食的黑洞，那么它的存在对其宿主星系来说可能是致命打击。因为疯狂的进食过程势必会产生同样的“狂风”，这些“狂风”会吹散周围气体从而阻止恒星形成。一个没了新恒星的星系，注定只能一步步走向灭亡。而黑洞呢，由于没有了“食物”来源，最终它也将自食其果。未来，要么有新食物送上门，要么就只能等待霍金辐射的审判，独自面临终结的那一天。

参考资料：

• [1] https://en.wikipedia.org/wiki/GN-z11

• [2] https://en.wikipedia.org/wiki/JADES-GS-z13-0

• [3] https://phys.org/news/2024-01-astronomers-oldest-black-hole.html

• [4] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07052-5

• [5] https://academic.oup.com/mnras/article/523/3/3516/7185828

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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