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。
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