最新研究揭示了金星上的水去哪了，JWST 进一步证实种子黑洞

1、JWST 进一步证明种子黑洞存在

我们知道，大部分星系中心都坐落着一个超大质量黑洞。通常来说，星系中心的黑洞其实还算安静，平时主要以吸积盘中的气体为食，偶尔也吃点恒星什么的零食。所以对于成熟星系来说，它的星系核亮度对星系整体来说并不占主导地位，星系的亮度主要还是靠内部的恒星光芒。

但是对于一个星系幼崽来说，它的中心黑洞就十分狂躁了。比如那些遥远的类星体，它中心的黑洞宛如饕餮一般在疯狂干饭。我们看到的类星体的光，几乎都是由那个活跃的星系核发出的。恒星在它周围宛如萤火虫环绕在探照灯旁，可以说几乎看不到。然而如今在 JWST 超高的灵敏度和分辨率下，天文学家首次在类星体的光芒中分辨出了来自恒星的“微弱”亮光。

前不久（2024 年 5 月），一篇发表于《天体物理学杂志》上的文章中，麻省理工的一个研究团队对 JWST 近红外相机拍摄的六个类星体（5.9<z<7.1）进行了光谱分析，然后通过图像拟合等手段，他们成功探测到了三个类星体宿主星系的亮光，这些恒星光仅占类星体光芒的 1%~5%。

基于这些微弱的光，研究团队估计了这些星系的质量以及它中心黑洞的质量。通过比较他们发现，这些类星体的中心黑洞实在过于巨大了，完全不像个 8 亿岁孩子该有的样子。研究人员估计，这些类星体中心黑洞的质量可以占到整个宿主星系质量的十分之一；而对于今天的成熟星系来说，这个数字通常仅有千分之一。于是问题来了：宇宙中究竟是先有的星系，然后星系中心的物质再聚集成了黑洞？还是说是先有的黑洞，物质再在黑洞周围聚集成了星系？

按照传统观点，宇宙诞生之初并没有黑洞，黑洞是随着恒星的出现才有的，也就是大质量恒星到了演化末期坍缩成的恒星级的黑洞。由于星系中心物质更为密集，大质量恒星接二连三地出现，于是大量的黑洞就被“量产”了出来。随着时间推移，这些黑洞不可避免的相互碰撞合并，最终形成了一个超大质量黑洞。

然而这种观点后来遇到了越来越多的问题，比如很多超大质量黑洞（尤其是那些上亿倍太阳质量的黑洞），如果按照黑洞合并的观点，它们耗费的时间远远大于星系的年龄，甚至于比宇宙年龄还要长。所以现如今的科学界普遍认为，这些星系中心的超大质量黑洞，它们应该有着其他形成机制，至少不是单纯的黑洞合并。比如说可能在宇宙诞生之初，由于某些原因宇宙中直接形成了一批原初黑洞。其中个头较大的那些成为了种子黑洞，后来的星系中心黑洞在它们的基础上继续“做大做强”，最终成为了异常巨大的超大质量黑洞。

当然，这只是其中一种解释。但不管哪种解释，总之，如今的观点认为这些黑洞都不是“白手起家”，而是继承了某种种子黑洞的“家业”。这次的研究算是用实际观测数据进一步印证了该观点。

2、金星上的水去哪了

虽然火星是继登月之后人类下一个要登陆的地外天体，但是太阳系行星中要说和地球最像的，那还数是金星。无论是质量个头还是结构组成，金星一直被誉为地球的“姊妹行星”。在探测器尚未抵达的年代，人们曾一度幻想，有着大气层的金星或许上面和地球一样存在着某种“金星生命”甚至是“金星人”。

然而后来人们发现，金星确实有大气层，但是它的大气层过于浓厚了。而且和地球大气不同的是，金星的大气主要由二氧化碳构成，这使得金星地表的大气压几乎是地球的一百倍。高浓度的二氧化碳带来的还有另一个后果，就是创造了太阳系最强的温室效应。太阳辐射的热量被牢牢锁在大气层中，这使得金星的表面温度长年保持在四百多摄氏度（735K），甚至比距离太阳最近的水星温度（695K）还高。

随着探测器的到访，现在我们知道，金星的表面完全就是地狱，别说类似地球的生命了，就是生命赖以存在的先决条件 —— 水都不可能存在。金星的表面虽然也会下雨，但是那里下的是硫酸雨。如果你要说“外星生命非得和我们一样吗？硫酸中就不能有生命吗？” 欸，你还真说着了，这个话题之前还专门说过，感兴趣的可以去杂谈系列找一下。

如今的金星可谓十分干涸，整个金星的水含量只有地球的十万分之一。虽然如此，但一些研究表明，在数十亿年前，金星的大气层并不是今天这样，当时的金星有着和现在的地球一样的大气层，表面也遍布着液态水。后来不知为何，金星的温室效应逐渐失控，地表水开始蒸发进入大气层。水蒸气作为温室气体的一种，进一步加剧了金星的温室效应。慢慢地，整个金星地表上的水被烘烤得一干二净。与此同时，大气层中的水分子在阳光的作用下被分解成了氢气和氧气（2H₂O = 2H₂ + O₂）。氢气本来密度就低，再被太阳风一吹，于是大部分氢就这样逃逸到了太空中。

虽然金星上的水（或者说大部分的氢）可以通过这种流体力学的方式逃走，但该方式并不能让金星“脱水”的如此彻底。就像你把杯子里的水全都倒掉，但里面总会残留几滴。因此金星上一定还存在其他未知的“脱水”机制。目前虽然有一些研究可以让氢继续逃逸，但是整个过程十分漫长，并不符合金星的现实情况。

前不久（2024 年 5 月），一篇发表于《自然》上的文章中，研究人员提出了一种通过解离重组（DR）反应让氢快速逃逸的新模型。这一模型其实原本是用来模拟火星大气的，后来发现这个过程似乎同样适用于金星。

研究人员认为，在早先的金星大气中存在许多由氢、碳、氧构成的带正电的离子（HCO⁺）。当它捕获一个电子后会生成一个一氧化碳分子（CO）和一个氢原子（H）。这个过程中产生的氢原子具有相当高的动能，以至于它可以逃逸到太空中。该解离重组过程大大加速了金星大气中氢的逃逸，而且该过程可能一直持续到今天。这么说的话，那之前发射的金星探测器有没有发现过这种离子呢？

很可惜，当年的探测计划并没有针对这一过程定制探测任务。但是在先前的探测数据中，研究人员确实发现了解离重组过程产生的相应反应物，这在一定程度上也算间接证明了该模型。希望未来的金星探测器会针对这一问题进行专门的验证。

• [1] Minghao Yue, Anna-Christina Eilers, Robert A. Simcoe, Ruari Mackenzie, Jorryt Matthee, Daichi Kashino, Rongmon Bordoloi, Simon J. Lilly, and Rohan P. Naidu. EIGER. V. Characterizing the Host Galaxies of Luminous Quasars at z ≳ 6. The Astrophysical Journal (2024). 966(2)

• [2] Chaffin, M.S., Cangi, E.M., Gregory, B.S. et al. Venus water loss is dominated by HCO+ dissociative recombination. Nature 629, 307–310 (2024)

• [3] James F. Kasting, James B. Pollack. Loss of water from Venus. I. Hydrodynamic escape of hydrogen. Icarus (1983). 53(3): 479-508

• [1] wikipedia: Venus

• [2] TheConversation: Venus is losing water faster than previously thought – here's what that could mean for the early planet's habitability

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

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