GN-z11 是天文學家近些年發(fā)現(xiàn)的距離我們最遠的星系之一。超遠的距離意味著它非常非常的年輕，可能只有 2~3 億歲。如此年輕的一只星系幼崽卻出乎意料地擁有一顆異常強大的“心臟”—— 中心黑洞。不過，這個黑洞與其說是“心臟”，倒不如說它更像是一只侵入體內(nèi)的“異形”。因為它吞噬物質(zhì)的速度有點太快了，以至于這只剛誕生不久的星系，或許再也無法迎來“長大成人”的那一天。
2015 年，天文學家通過哈勃和斯皮策太空望遠鏡，在大熊座方向發(fā)現(xiàn)了一個十分不起眼的暗紅色天體。此時人們已經(jīng)意識到，這個天體絕不簡單，如此暗淡渺小意味著它離我們肯定非常遠。
雖然已經(jīng)有了心理預期，但當看到光譜測量結(jié)果出來后人們還是吃了一驚 —— 它的紅移值（z）幾乎達到了 11，于是“GN-z11”的名字也由此而來。11 的紅移，意味著它發(fā)出的光經(jīng)歷了 134 億年才到達地球，我們看到它的樣子，則是大爆炸后 4 億年的模樣，而那時的宇宙還正處于遠古的再電離時期。
在 JWST 出現(xiàn)以前，人們認為 GN-z11 是目前已發(fā)現(xiàn)的最遙遠、最古老的星系。與銀河系相比，它的大小只有銀河系的 4%，質(zhì)量更是僅有 1%。作為一個正在長身體的幼年星系，它的成長速度可謂快得驚人。要知道，宇宙的首批恒星大概誕生于大爆炸后 1 億年左右。這意味著，該星系只用了 2~3 億年，就形成了十億規(guī)模的恒星，這個成長速度幾乎是銀河系的 20 倍。
我們知道，現(xiàn)如今大部分星系的中心都會有一個超大質(zhì)量黑洞。但是對于 GN-z11 這么年輕的星系來說，形成一個超大質(zhì)量黑洞時間上似乎不太夠。其實不只是幼年星系，即使是現(xiàn)如今我們周圍的那些成熟星系，以目前我們所了解的黑洞成長過程，它們中心的黑洞個頭同樣大得離譜。這其實也是科學界一直在探尋的一個未解之謎 —— 超大質(zhì)量黑洞的起源問題。因此，找到一個足夠年輕、甚至可能還沒來得及形成中心黑洞的星系，或許就能幫助我們解開謎題。
正好，現(xiàn)在有了專攻紅外波段的 JWST，那自然得好好瞅瞅這個目標。
2023 年 5 月，一篇發(fā)表于《皇家天文學月刊》上的文章中，牛津的一個研究團隊針對光譜中的碳氮氧元素分析后認為，GN-z11 中除了恒星以外確實應該還有其他東西，不過至于其他東西是什么目前還不確定。因為對于這樣一個年輕星系而言，即使考慮到它內(nèi)部有著大量的巨型初代恒星，那也不足以解釋它特殊的元素占比，因此研究人員給出了一些可能的猜測。
比如這里可能發(fā)生了某種潮汐破壞事件（TDE）。潮汐破壞事件也叫潮汐瓦解事件，它通常說的是某顆恒星由于太靠近一個超大引力源（比如說超大質(zhì)量黑洞），從而被它的潮汐力撕碎瓦解。這個過程中會產(chǎn)生許多特殊的輻射，這些輻射如果僅靠恒星的正常演化是無法形成的。
此外，由于年輕星系中充滿了原始氣體，所以恒星形成得非?？?，這里的恒星就像在星團里一樣十分密集。于是，這些恒星之間不可避免地會發(fā)生碰撞，而恒星之間劇烈的碰撞也會產(chǎn)生相應的特殊光譜。
當然，類星體這種傳統(tǒng)的解釋也不能被排除。由于年輕星系中食物充足，這對星系中心的黑洞來說簡直就是在吃自助餐。因此，年輕星系中心的黑洞極為活躍，被稱為活動星系核（AGN）。這種活動星系核在瘋狂吞噬周圍氣體的同時，它的吸積盤也會向外輻射出類似的特殊光譜。
總之，該研究團隊認為，GN-z11 中有沒有超大質(zhì)量黑洞還很難說，因為除黑洞外還有許多其他可能性存在。
然而今年年初（2024 年 1 月），劍橋的一個研究團隊在《自然》雜志也發(fā)表了一篇關(guān)于 GN-z11 的研究論文。相較于牛津團隊的搖擺不定，劍橋團隊則更加篤定中心黑洞的存在。
除了認為活動星系核比其他方式解釋光譜特征更合適外，這次他們還在光譜中發(fā)現(xiàn)了類似噴流的特征。根據(jù)他們的理論模型，在紅移 10~11 范圍的星系中，如果有超大質(zhì)量黑洞存在，它們的質(zhì)量應該在 100 萬~1000 萬倍太陽質(zhì)量之間。而針對 GN-z11 的計算顯示，該黑洞的質(zhì)量大約在 160 萬倍太陽質(zhì)量，正好符合理論預期。
現(xiàn)在的問題是：如果這個黑洞真的存在，那它是如何在 2~3 億年里長到這么大的？沒錯，又回到了那個超大質(zhì)量黑洞起源的問題。
目前可以認為，這些黑洞之所以這么大只能有兩個可能：
第一，要么是它們天生就很大，也就是在星系還沒形成之前它們就已經(jīng)存在了。比如通過暗物質(zhì)種子、原始氣體云的直接坍縮等等。
第二，要么是它們可以通過一些我們還不了解的方式瘋狂干飯，能夠以至少 5 倍于正常黑洞的速度迅速成長。
如果這真的是一個正在饕餮般進食的黑洞，那么它的存在對其宿主星系來說可能是致命打擊。因為瘋狂的進食過程勢必會產(chǎn)生同樣的“狂風”，這些“狂風”會吹散周圍氣體從而阻止恒星形成。一個沒了新恒星的星系，注定只能一步步走向滅亡。而黑洞呢，由于沒有了“食物”來源，最終它也將自食其果。未來，要么有新食物送上門，要么就只能等待霍金輻射的審判，獨自面臨終結(jié)的那一天。
參考資料：
[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
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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