詹姆斯・韋伯太空望遠鏡（JWST）在其短暫的運行期間，已成為推動宇宙學發現的不懈動力，不斷挑戰並完善我們對早期宇宙的理解。其最深遠的貢獻之一，是系統性地識別出那些為極端紅移下的明亮類星體提供能量的、「不可能存在」般巨大的超大質量黑洞（SMBH）。其中一些黑洞在宇宙誕生後不到十億年時便已存在。這些古老的巨獸，質量超過太陽的十億倍，提出了一個被稱為「時間緊迫問題」的嚴峻理論挑戰。標準的宇宙結構形成模型認為，超大質量黑洞是由第一代恆星的殘骸（恆星級質量黑洞）逐漸成長而來，但在大爆炸後有限的時間內，模型難以解釋如此迅速的增長。這一矛盾引發了一場長期的辯論，焦點在於宇宙中這些最龐大、受引力束縛的天體，其最初的「種子」究竟是如何形成的。
在這片充滿活力與爭議的圖景中，一位全新且非凡的主角登場了：一個視覺上令人驚嘆、科學上具有啟示意義的系統，被暱稱為「無限」星系（Infinity Galaxy）。這個天體由耶魯大學的彼得・范・多庫姆（Pieter van Dokkum）和哥本哈根大學的加布里埃爾・布拉默（Gabriel Brammer）在仔細檢查韋伯望遠鏡COSMOS-Web巡天項目的存檔數據時偶然發現，並迅速成為天文物理學研究的前沿。它的發現代表了超大質量黑洞形成研究的一個關鍵時刻，標誌著我們可能正從統計推斷和理論模擬的領域，轉向直接、有針對性的觀測。多年來，「輕種子」和「重種子」這兩種主流理論之間的爭論一直停留在間接層面，依賴於分析古老的類星體群體相對於其宿主星系是否顯得「過於龐大」。然而，「無限」星系提供了一個切實、獨立的案例研究——一個位於紅移 z=1.14 的天然實驗室，在這裡，黑洞誕生的物理過程可以被前所未有地詳細剖析。
本文主張，「無限」星系以其獨特的形態、強大的核外超大質量黑洞以及複雜的運動學和動力學環境，為超大質量黑洞形成的「直接塌縮」或「重種子」模型提供了迄今為止最令人信服、最多面向的觀測證據。研究團隊自己的評估——他們可能正在「目睹一個超大質量黑洞的誕生——這是前所未見的景象」——也凸顯了該天體所代表的證據的質的飛躍。對這一個非凡系統的分析，將科學問題從「直接塌縮的條件是否存在？」轉變為「我們是否正在親眼目睹它的發生？」。因此，「無限」星系很可能就是解開早期類星體之謎、並從根本上重塑我們對宇宙巨物如何誕生的理解的「決定性證據」。
一場星系碰撞的解剖：無限星系系統
「無限」星系並非單一實體，而是一個複雜的交互作用系統，它的故事是透過橫跨整個電磁波譜的光所揭示的。其引人注目的外觀——也是其暱稱的由來——形似數字「8」或數學中的無窮大符號（∞），這種形態立刻指向了一段劇烈的引力動盪歷史。這個系統的完整圖像，位於赤經10時00分14.2秒，赤緯+02度13分11.7秒，是透過世界頂尖的天文台的協同努力拼接而成的，每個天文台都為這幅拼圖提供了關鍵的一塊。
多波段畫像
這一發現的基礎是韋伯望遠鏡近紅外相機（NIRCam）的成像。這些觀測揭示了該系統的標誌性特徵：兩個巨大、緻密且呈明顯紅色的星系核，每個核都被一個壯觀的星環所環繞。透過使用F090W（藍色）、F115W和F150W（綠色）以及F200W（紅色）等多個NIRCam濾鏡，天文學家得以將星系核與星環中的年老恆星群，同位於它們之間的一條明亮、獨特的電離氣體帶區分開來。哈伯太空望遠鏡的補充存檔數據證實了星環的恆星本質，排除了它們僅僅是塵埃遮蔽造成的假象的可能性。
關鍵的後續光譜觀測是在W. M. 凱克天文台的低解析度成像光譜儀（LRIS）上進行的。這些觀測對於確定該系統的基本參數至關重要。凱克的光譜數據給出了一個確定的紅移值 z=1.14，這意味著「無限」星系的光來自大約83億年前。這一測量為中心天體的質量及其相對於兩個星系核的異常位置提供了初步線索。
為了探究其中最劇烈的能量過程，天文學家轉向了高能天文台。美國太空總署（NASA）的錢卓拉X射線天文台的數據明確探測到，在兩個星系核之間的區域，存在一個強大的X射線發射源。這種高能輻射是活動星系核（AGN）的典型特徵，那裡的氣體在被吸積的超大質量黑洞周圍盤旋時被加熱到數百萬度。這一點得到了卡爾・G・央斯基甚大陣（VLA）的射電觀測證實，該陣列探測到了一個AGN特有的緻密而強大的射電源。最初最令人信服的證據之一，是這個VLA射電點源與韋伯望遠鏡拍攝的電離氣體雲中心的完美空間對齊，這強烈暗示了它們之間存在物理聯繫。
物理參數與碰撞動力學
綜合這些多波段數據，一個詳細的「無限」星系物理模型浮出水面。該系統是兩個大質量盤狀星系之間一次罕見的、高速且近乎正面的碰撞的結果。這兩個星系核是原始星系的緻密中央核球，質量異常巨大，其恆星質量分別估計約為800億和1800億倍太陽質量。它們在天球上的投影距離約為10千秒差距（kpc）。
這種獨特的雙環形態是此類「正中靶心」式碰撞的一個雖罕見但已被充分理解的結果。當兩個星系相互穿過時，每個核球的引力擾動會在對方的盤狀結構中向外傳播，形成一個不斷擴大的密度波，席捲氣體並觸發恆星形成，最終形成了明亮的星環。這個過程與鄰近的碰撞環狀星系系統II Hz 4相似。根據系統各組成部分的間距和相對速度，天文學家估計，這場災難性的碰撞發生在大約5000萬年前——在宇宙尺度上僅為一瞬間。這些獨立天文台的證據匯集在一起（見表1），描繪了一幅近期發生的劇烈星系合併的穩固而一致的圖景，為揭開該系統最深層的秘密奠定了基礎。
表1：無限星系系統的觀測特性
| 特性 | 數值/描述 | 來源 |
| 天體暱稱 | 無限星系 | |
| 位置 (J2000) | 赤經 10h 00m 14.2s, 赤緯 +02° 13′ 11.7″ | |
| 紅移 (z) | 1.14 | |
| 回溯時間 | 約83億年 | |
| 形態 | 雙碰撞環狀星系；「8」字形（∞） | |
| 星系核的恆星質量 | ~1011M☉ (具體約為 ~8×1010M☉ 和 ~1.8×1011M☉) | |
| 投影核間距 | 10 kpc | |
| 中心超大質量黑洞質量 | 約100萬 M☉ | |
| 關鍵觀測特徵 | 活躍吸積（錢卓拉X射線，VLA射電），延展的電離氣體雲（韋伯NIRCam/NIRSpec） | |
| 碰撞時間尺度 | 發生在觀測前約5000萬年 |
中心的異常：一個核外超大質量黑洞
「無限」星系最令人震驚且在科學上最具影響力的特徵並非其形狀，而是其中心引擎的位置。雖然超大質量黑洞是星系核的標誌性特徵，但這個系統中百萬倍太陽質量的黑洞並不位於兩個巨大恆星核球中任何一個的引力勢阱內，而是棲身於它們之間的宇宙「無人區」。這一發現被首席研究員彼得・范・多庫姆反覆強調為「所有發現中最令人驚訝的」，並立刻顛覆了傳統預期。這個超大質量黑洞被包裹在一片廣闊、湍動的電離氣體雲中，在韋伯望遠鏡的紅外影像中明亮地發光，呈現為兩個黃色星系核之間的一片綠色薄霧。
這並非一個沉睡的遺跡，而是一個異常活躍的能量源。VLA探測到的射電波和錢卓拉探測到的高能X射線都顯示出類星體級別的光度——其X射線光度（LX）達到每秒約 1.5×1044 爾格——這證實了該黑洞是一個活動星系核（AGN），正以驚人的速度貪婪地從其氣體繭中吸積物質。這些氣體本身被確認為失去了電子的氫，正被黑洞吸積盤發出的強烈紫外線和X射線輻射所光致電離。
它的位置，加上其形成時間較近（估計在碰撞後的5000萬年內），引導研究團隊得出了一個革命性的結論。「它很可能不是碰巧移動到那裡，而是在那裡形成的，而且時間相當近，」范・多庫姆解釋道。「換句話說，我們認為我們正在目睹一個超大質量黑洞的誕生。」這與觀測早期宇宙中那些古老、已完全形成的類星體有著本質的不同。這裡的證據指向一個正在發生中的形成事件，而且發生在一個更近的宇宙時代。
這一發現的重要性，在考慮該系統的精確運動學時，被進一步放大。「核外」一詞甚至有些輕描淡寫；這個超大質量黑洞並非隨機偏離。它在空間和運動學上都精確地位於碰撞的交界面中心。這使得該天體從一個單純的奇觀，轉變為一件鑑識證據。就像著名的「子彈星系團」中，氣體在星系團碰撞時受到衝擊並從暗物質暈中剝離一樣，「無限」星系中的氣體似乎也在撞擊點被壓縮成一個緻密、湍動的殘骸。一個新生的超大質量黑洞恰好位於這個殘骸的中心，強烈暗示了兩者之間存在因果關係。這個黑洞並非偶然闖入戰局的局外人；它似乎是這次碰撞所創造的獨特物理環境的直接產物。
兩種「種子」的故事：主流的超大質量黑洞形成模型
「無限」星系的發現，恰好切入了關於超大質量黑洞起源長達數十年的爭論核心。兩種主要的理論框架，即「輕種子」模型和「重種子」模型，為這些宇宙巨物的誕生提供了相互競爭的解釋。「無限」星系的證據對每種理論的可行性都具有深遠的影響。
「輕種子」模型（恆星起源）
超大質量黑洞形成的更傳統、由下而上的範式是「輕種子」模型。該模型假設，最早的黑洞是質量相對較小的天體，質量範圍從幾十倍到可能上千倍太陽質量（M☉）。這些「輕種子」是第一代恆星（即第三星族星）的自然殘骸，這些恆星被認為質量極大、壽命極短，並以核塌縮型超新星的形式結束其生命。
根據該模型，這些散布在早期星系密集環境中的初始種子，會隨著宇宙時間的推移，透過兩種主要機制成長：一是在星系合併過程中與其他黑洞進行等級式合併，二是透過穩定、持續地吸積星際氣體。雖然這個過程在概念上很簡單，但其主要制約因素是時間。將一個100倍太陽質量的種子培育成十億倍太陽質量的巨物，是一個緩慢而艱辛的過程，需要近十億年持續、接近極限速率的吸積——這是一系列難以維持的「最佳生長條件的精妙匯集」。韋伯望遠鏡不斷發現，在大爆炸後僅幾億年就已存在的十億倍太陽質量的類星體，這給該模型帶來了嚴峻的「時間緊迫問題」。儘管有人認為，韋伯望遠鏡可能優先探測到最亮、質量最大的黑洞，而忽略了更大數量的較小黑洞，這種觀測選擇效應並不能完全解決最極端早期超大質量黑洞案例所帶來的挑戰。
「重種子」模型（直接塌縮）
另一種由上而下的方案是「重種子」模型，該模型提出一些黑洞生來就具有巨大質量。在該模型中，初始種子的質量可以從一萬倍到甚至一百萬倍太陽質量（M☉）不等。這些「重種子」並非由恆星形成。相反，它們被認為是由一個巨大、緻密的原始氣體雲在自身引力下變得不穩定並內爆而形成的，完全跳過了恆星形成的整個階段。這個由廣義相對論不穩定性驅動的過程，為黑洞的成長提供了關鍵的「先發優勢」，從而可以輕鬆解釋早期宇宙中最龐大類星體的存在。
直接塌縮模型的主要理論障礙一直是「恆星形成問題」。在正常情況下，當一個巨大的氣體雲塌縮時，它會冷卻並碎裂成無數更小、更緻密的團塊，每個團塊都會成為一顆原恆星。要實現直接塌縮，就必須抑制這種碎裂。實現這一目標的經典模型需要一套非常特殊且原始的條件，這些條件被認為只存在於原始宇宙（z>15）中：氣體必須幾乎完全不含金屬（比氫和氦更重的元素），並且必須沐浴在強烈的來曼-韋納紫外光子背景輻射中。這種輻射場會破壞分子氫（H₂），而分子氫是一種極其高效的冷卻劑，會促進碎裂。沒有了H₂的冷卻，氣體雲會一直保持過高的溫度而無法碎裂，從而能夠整體性地塌縮。人們普遍認為這些條件極為罕見，因此導致了一個假設：直接塌縮雖然理論上可能，但卻是一個僅限於宇宙黎明時期的極其罕見的事件。「無限」星系，正如我們將要探討的，對這一假設提出了根本性的挑戰。
表2：超大質量黑洞種子模型對比分析
| 特性 | 「輕種子」模型 | 「重種子」（直接塌縮）模型 |
| 種子起源 | 大質量第三星族星的殘骸 | 大質量氣體/塵埃雲的失控塌縮 |
| 初始種子質量 | ~10−1,000M☉ | ~10,000−1,000,000M☉ |
| 形成過程 | 核塌縮型超新星 | 氣體雲中的廣義相對論不穩定性 |
| 成長機制 | 等級式合併與氣體吸積 | 主要是在已具規模的種子上進行氣體吸積 |
| 時間尺度 | 緩慢，達到超大質量黑洞狀態需>10億年 | 迅速，提供顯著的「先發優勢」 |
| 主要挑戰 | 「時間緊迫問題」：解釋早期大質量類星體 | 「恆星形成問題」：阻止氣體雲碎裂 |
| 所需環境 | 早期暗物質暈中的緻密星團 | 原始、貧金屬氣體與強來曼-韋納輻射（傳統觀點） |
「決定性證據」：無限星系中的直接塌縮證據
認為「無限」星系是直接塌縮發生地的論證，建立在一系列相互印證的證據鏈之上。這些證據系統性地解決了「重種子」模型的核心挑戰，同時排除了最 plausible 的替代解釋。這一發現不僅提供了一個候選天體，還為其形成提出了一個由動力學而非原始化學驅動的新機制。
碰撞引發的誕生雲
「無限」星系提供的關鍵洞見在於，即使在更成熟、富含金屬的宇宙中，直接塌縮所需的極端條件也可以透過星系合併的強大物理過程產生。傳統的直接塌縮模型依賴於無金屬氣體和來曼-韋納輻射場，以此來阻止氣體有效冷卻，從而解決恆星形成問題。而「無限」星系存在於一個晚得多的宇宙時期（z=1.14），涉及兩個大質量、已演化的星系，它們顯然並非無金屬。
研究團隊提出了一個抑制碎裂的新途徑。兩個星系盤之間的高速正面碰撞，會在它們的星際氣體中驅動強大的衝擊波，將其壓縮至極端密度，並在兩個星系核之間的區域引發劇烈湍流。據推測，這一過程創造了一個「緻密結」或「氣體殘骸」，並使其在引力上變得不穩定。在這個高度湍動的環境中，恆星形成的條件可能被破壞，阻止了氣體的碎裂，使其能夠整體塌縮成一個單一的、大質量的天體——一個直接塌縮黑洞。這為「恆星形成問題」提供了一個令人信服的物理解決方案，且適用於原始宇宙的狹窄範圍之外。它表明，直接塌縮不僅僅是一個與特定時代相關的化學過程，更是一個可以在宇宙歷史中由劇烈事件觸發的動力學過程。
運動學判決——後續論文
雖然碰撞情景提供了一個合理的敘述，但最終的證據需要運動學檢驗。這正是范・多庫姆及其合作者在第二篇論文（提交至《天文物理學期刊通訊》，arXiv:2506.15619）中詳細闡述的後續觀測的主要目標，該觀測利用了韋伯望遠鏡近紅外光譜儀（NIRSpec）的積分視場單元（IFU）模式的強大能力。
NIRSpec IFU使團隊能夠創建電離氣體雲運動的詳細二維圖。透過測量整個雲中發射線的都卜勒頻移，他們可以確定其內部的速度結構。同時，來自AGN本身的寬發射線——源於黑洞附近旋轉的氣體——提供了超大質量黑洞整體徑向速度的測量值。核心檢驗就是比較這兩種速度。
結果是明確而深刻的。超大質量黑洞的速度被發現「完美地處於周圍氣體速度分布的中心」，兩者相差在約50公里/秒以內。這種運動學上的同步，被團隊描述為「我們所追求的關鍵結果」，是證明該超大質量黑洞是在其現在照亮的氣體雲中原位形成的最強有力證據。它本質上是雲的後代，由其塌縮而生，並相對於其母體處於靜止狀態。
系統性地排除替代方案
這些關鍵的運動學數據為排除超大質量黑洞異常位置的主要替代解釋提供了有力的依據，而研究人員自己也曾審慎地考慮過這些解釋。
- 情景1：失控的黑洞。 這一假說認為，超大質量黑洞是在別處形成的，可能是在某個星系核中，隨後被彈出，現在只是碰巧穿過中心的氣體雲。無論是透過引力彈弓效應還是黑洞合併的反衝，這樣的彈出事件都將是劇烈的，會賦予黑洞一個巨大的「誕生速度」或特殊速度。因此，一個穿越氣體雲的失控天體，其相對於氣體的速度應該有顯著差異。觀測到的速度差異在約50公里/秒以內，使得這一情景在動力學上不太可能。
- 情景2：隱藏的第三個星系。 這一情景認為，這個超大質量黑洞根本不屬於「無限」系統，而是第三個獨立星系的核，只是碰巧位於同一視線方向上，其微弱的星光被AGN和碰撞星系的強光所淹沒。這一解釋在多個方面都站不住腳。首先，一個足以容納百萬倍太陽質量超大質量黑洞的星系，不太可能是一個如此容易被隱藏的暗弱矮星系。更重要的是，如果它與一個背景或前景星系偶然對齊，其速度將與紅移 z=1.14 的「無限」系統的氣體動力學完全不相關。精確的速度匹配再次有力地反駁了這僅僅是一個巧合的可能性。
意想不到的三重奏：謎題的最後一塊拼圖
NIRSpec的後續觀測帶來了另一個完全出乎意料的發現，進一步鞏固了原位形成的論證。當團隊分析兩個原始星系核的光譜時，他們發現了明確無誤的證據，表明每個星系核也擁有各自的活動超大質量黑洞。這一證據來自於極其寬的氫-阿爾法（Hα）發射線，其半峰全寬（FWHM）約為3000公里/秒。如此寬的譜線是氣體在巨大中心天體的深引力阱中以極高速度旋轉的經典、明確的標誌，證實了該系統中還存在另外兩個活動星系核（AGN）。
這個被范・多庫姆形容為「意想不到的驚喜」的發現，將該系統從一個擁有新生黑洞的雙星系合併，轉變為一個罕見而引人注目的三重活動超大質量黑洞系統。「無限」星系包含三個已確認的、正在活躍吸積的黑洞：兩個位於原始星系核中的非常巨大的、早已存在的黑洞，以及位於它們之間、新形成的百萬倍太陽質量的天體。
這一發現為「失控黑洞」情景，特別是任何涉及重力波反衝的版本，提供了最終的、決定性的反駁。在兩個超大質量黑洞合併時，重力波的發射可能是不對稱的，這會給最終合併的黑洞一個強大的「反衝」，可能將其從星系核心彈出。然而，兩個原始星系核仍然擁有各自的超大質量黑洞這一發現，使得中心黑洞從其中任何一個被彈出的可能性在動力學上變得不可能。一個星系核不可能在透過反衝彈出其中心黑洞的同時，又保留著它。
這些證據的匯集在科學上是強有力的。後續觀測提供了兩條獨立的推理線索，都指向同一個結論。運動學證據（速度匹配）強烈排除了失控情景，而動力學證據（另外兩個超大質量黑洞的存在）則使得失控最 plausible 的物理機制（重力反衝）變得不可能。隨著主要的替代解釋被觀測系統性地證偽，中心黑洞是在其現在的位置——透過碰撞引發的氣體雲的直接塌縮——誕生的假說，成為了最令人信服和最穩健的解釋。
對宇宙學和星系演化的更廣泛啟示
「無限」星系發現的意義遠不止於這一個天體，它有望重塑天文物理學和宇宙學的關鍵領域。如果得到證實，這一觀測不僅為一種理論提供了證據，更為我們審視星系及其中心黑洞的演化提供了一個全新的視角。
最直接的影響是對早期類星體悖論的解答。「無限」星系為快速形成「重種子」的機制提供了一個生動、可觀測的範例。一個誕生時質量就達到數十萬至一百萬倍太陽質量的黑洞，擁有巨大的先發優勢，使其更容易成長到宇宙歷史最初十億年內觀測到的十億倍太陽質量級別。這一發現表明，宇宙擁有一條可行的超大質量黑洞形成「快車道」，可能解決了長期困擾「輕種子」模型的「時間緊迫問題」。
或許更深遠的是，這一發現表明，直接塌縮並非僅限於宇宙黎明時期獨特的原始條件。在「無限」星系中起作用的機制是由劇烈的動力學——星系合併——驅動的，而非無金屬氣體的特定化學性質。這意味著，只要富含氣體的星系以足夠劇烈的方式碰撞，自然界就可以在整個宇宙歷史中製造出「重種子」。這一觀點得到了合著者、「重種子」理論家普里亞姆瓦達・納塔拉詹的支持，意味著直接塌縮可能是宇宙中比之前想像的更普遍、更持久的特徵，並在數十億年間為超大質量黑洞的成長做出貢獻。
這一發現還可能揭示了星系合併生命週期中一個新的、儘管短暫的階段。我們對星系演化的模型通常關注星暴、潮汐剝離以及最終已存在的中心黑洞的合併。「無限」星系則提出了另一種可能的結果：碰撞本身可以充當一個黑洞工廠，在合併星系之間的湍動交界面觸發一個全新超大質量黑洞的誕生。這為我們模擬星系及其黑洞群體如何共同演化的過程增添了新的複雜層次和一條新的潛在路徑。
最後，這一發現為韋伯望遠鏡正在揭示的其他神秘天體提供了關鍵的物理背景。例如，該望遠鏡已經識別出一批被稱為「小紅點」（LRD）的天體，它們被認為是早期宇宙中緻密、被塵埃遮蔽且快速成長的超大質量黑洞。「無限」星系為這類天體的起源提供了一個具體的物理模型，展示了一個巨大的、被遮蔽的種子如何在混亂、富含氣體的環境中被鍛造出來。
結論——未來方向與未解之謎
來自「無限」星系的證據匯集，為氣體雲直接塌縮成超大質量黑洞描繪了一幅強大、連貫且令人信服的圖景。其獨特的形態、中心活動星系核（AGN）的核外位置、黑洞與其宿主氣體雲之間的運動學同步，以及系統原始星系核中另外兩個超大質量黑洞的明確存在，共同構建了一個堅實的論證。主要的替代解釋——一個失控的黑洞或與背景星系的偶然對齊——已被直接的觀測證據系統性地削弱或證偽。
然而，本著嚴謹的科學探究精神，研究團隊保持著謹慎樂觀的態度。正如彼得・范・多庫姆所說：「我們不能斷定我們發現了一個直接塌縮黑洞。但我們可以說，這些新數據加強了我們正在目睹一個新生黑洞的論證，同時排除了其他一些競爭性解釋。」這一發現並非終點，而是對更廣泛的天文學界的行動號召。
眼下最緊迫的下一步在於理論領域。「現在輪到理論學家們接手了」，他們需要開發複雜的流體動力學模擬，以模擬「無限」星系碰撞的具體初始條件。這些模擬對於檢驗所提出的機制——衝擊引發的湍動壓縮——是否確實能抑制恆星形成，並在觀測到的物理條件下導致一個百萬倍太陽質量天體的失控引力塌縮至關重要。
在觀測方面，團隊已經計劃了進一步的調查。未來的工作將包括使用凱克天文台等地面望遠鏡上的先進自適應光學系統，以獲得更高空間解析度的光譜。這些觀測旨在探測新生黑洞事件視界附近的氣體動力學，為吸積過程及其誕生雲的結構提供更深入的見解。
「無限」星系將一個長期的理論爭論轉變為一個具體、可觀測的現象。它作為一個獨特的天然實驗室，為即時研究超大質量黑洞的誕生提供了前所未有的機會。儘管問題依然存在，需要進一步證實，但這個非凡的系統已經開啟了天文物理學的新篇章，有望揭開宇宙最根本的秘密之一：其最巨大天體的起源。
