詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）在其短暂的运行期间，已成为宇宙学发现的不懈引擎，不断挑战并完善我们对早期宇宙的理解。其最深远的贡献之一，是系统性地识别出那些为极端红移下的明亮类星体提供能量的、“不可能”存在的大质量超大质量黑洞（SMBH）。其中一些黑洞在宇宙诞生后不到十亿年时便已存在。这些古老的巨兽，质量超过太阳的十亿倍，提出了一个被称为“时间紧迫问题”的严峻理论挑战。标准的宇宙结构形成模型认为，超大质量黑洞是由第一代恒星的残骸（恒星级质量黑洞）逐渐成长而来，但在大爆炸后有限的时间内，模型难以解释如此迅速的增长。这一矛盾引发了一场长期的辩论，焦点在于宇宙中这些最庞大、受引力束缚的天体，其最初的“种子”究竟是如何形成的。
在这片充满活力与争议的图景中，一位全新且非凡的主角登场了：一个视觉上令人惊叹、科学上具有启示意义的系统，被昵称为“无限”星系（Infinity Galaxy）。这个天体由耶鲁大学的彼得·范·多库姆（Pieter van Dokkum）和哥本哈根大学的加布里埃尔·布拉默（Gabriel Brammer）在仔细检查韦伯望远镜COSMOS-Web巡天项目的存档数据时偶然发现，并迅速成为天体物理学研究的前沿。它的发现代表了超大质量黑洞形成研究的一个关键时刻，标志着我们可能正从统计推断和理论模拟的领域，转向直接、有针对性的观测。多年来，“轻种子”和“重种子”这两种主流理论之间的争论一直停留在间接层面，依赖于分析古老的类星体群体相对于其宿主星系是否显得“过于庞大”。然而，“无限”星系提供了一个切实、独立的案例研究——一个位于红移 z=1.14 的天然实验室，在这里，黑洞诞生的物理过程可以被前所未有地详细剖析。
本文认为，“无限”星系以其独特的形态、强大的核外超大质量黑洞以及复杂的运动学和动力学环境，为超大质量黑洞形成的“直接坍缩”或“重种子”模型提供了迄今为止最令人信服、最多方面的观测证据。研究团队自己的评估——他们可能正在“目睹一个超大质量黑洞的诞生——这是前所未见的景象”——也凸显了该天体所代表的证据的质的飞跃。对这一个非凡系统的分析，将科学问题从“直接坍缩的条件是否存在？”转变为“我们是否正在亲眼目睹它的发生？”。因此，“无限”星系很可能就是解开早期类星体之谜、并从根本上重塑我们对宇宙巨物如何诞生的理解的“确凿证据”。
一场星系碰撞的解剖：无限星系系统
“无限”星系并非单一实体，而是一个复杂的相互作用系统，它的故事由贯穿整个电磁波谱的光线讲述。其引人注目的外观——也是其昵称的由来——形似数字“8”或数学中的无穷大符号（∞），这种形态立刻指向了一段剧烈的引力动荡历史。这个系统的完整图像，位于赤经10时00分14.2秒，赤纬+02度13分11.7秒，是通过世界顶级天文台的协同努力拼接而成的，每个天文台都为这幅拼图提供了关键的一块。
多波段画像
这一发现的基础是韦伯望远镜近红外相机（NIRCam）的成像。这些观测揭示了该系统的标志性特征：两个巨大、致密且呈明显红色的星系核，每个核都被一个壮观的星环所环绕。通过使用F090W（蓝色）、F115W和F150W（绿色）以及F200W（红色）等多个NIRCam滤镜，天文学家得以将星系核与星环中的年老恒星群，同位于它们之间的一条明亮、独特的电离气体带区分开来。哈勃空间望远镜的补充存档数据证实了星环的恒星本质，排除了它们仅仅是尘埃遮蔽造成的假象的可能性。
关键的后续光谱观测是在W. M. 凯克天文台的低分辨率成像光谱仪（LRIS）上进行的。这些观测对于确定该系统的基本参数至关重要。凯克的光谱数据给出了一个确定的红移值 z=1.14，这意味着“无限”星系的光来自大约83亿年前。这一测量为中心天体的质量及其相对于两个星系核的异常位置提供了初步线索。
为了探究其中最剧烈的能量过程，天文学家转向了高能天文台。美国宇航局（NASA）的钱德拉X射线天文台的数据明确探测到，在两个星系核之间的区域，存在一个强大的X射线发射源。这种高能辐射是活动星系核（AGN）的典型特征，那里的气体在被吸积的超大质量黑洞周围盘旋时被加热到数百万度。这一点得到了卡尔·G·央斯基甚大阵（VLA）的射电观测证实，该阵列探测到了一个AGN特有的致密而强大的射电源。最初最令人信服的证据之一，是这个VLA射电点源与韦伯望远镜拍摄的电离气体云中心的完美空间对齐，这强烈暗示了它们之间存在物理联系。
物理参数与碰撞动力学
综合这些多波段数据，一个详细的“无限”星系物理模型浮出水面。该系统是两个大质量盘状星系之间一次罕见的、高速且近乎正面的碰撞的结果。这两个星系核是原始星系的致密中央核球，质量异常巨大，其恒星质量分别估计约为800亿和1800亿倍太阳质量。它们在天球上的投影距离约为10千秒差距（kpc）。
这种独特的双环形态是此类“正中靶心”式碰撞的一个虽罕见但已被充分理解的结果。当两个星系相互穿过时，每个核球的引力扰动会在对方的盘状结构中向外传播，形成一个不断扩大的密度波，席卷气体并触发恒星形成，最终形成了明亮的星环。这个过程与邻近的碰撞环状星系系统II Hz 4相似。根据系统各组成部分的间距和相对速度，天文学家估计，这场灾难性的碰撞发生在大约5000万年前——在宇宙尺度上仅为一瞬间。这些独立天文台的证据汇集在一起（见表1），描绘了一幅近期发生的剧烈星系合并的稳健而一致的图景，为揭开该系统最深层的秘密奠定了基础。
表1：无限星系系统的观测特性
| 特性 | 数值/描述 |
| 天体昵称 | 无限星系 |
| 位置 (J2000) | 赤经 10h 00m 14.2s, 赤纬 +02° 13′ 11.7″ |
| 红移 (z) | 1.14 |
| 回溯时间 | 约83亿年 |
| 形态 | 双碰撞环状星系；“8”字形（∞） |
| 星系核的恒星质量 | ~1011M☉ (具体约为 ~8×1010M☉ 和 ~1.8×1011M☉) |
| 投影核间距 | 10 kpc |
| 中心超大质量黑洞质量 | 约100万 M☉ |
| 关键观测特征 | 活跃吸积（钱德拉X射线，VLA射电），延展的电离气体云（韦伯NIRCam/NIRSpec） |
| 碰撞时间尺度 | 发生在观测前约5000万年 |
中心的异常：一个核外超大质量黑洞
“无限”星系最令人震惊且在科学上最具影响力的特征并非其形状，而是其中心引擎的位置。虽然超大质量黑洞是星系核的标志性特征，但这个系统中百万倍太阳质量的黑洞并不位于两个巨大恒星核球中任何一个的引力势阱内，而是栖身于它们之间的宇宙“无人区”。这一发现被首席研究员彼得·范·多库姆反复强调为“所有发现中最令人惊讶的”，并立刻颠覆了传统预期。这个超大质量黑洞被包裹在一片广阔、湍动的电离气体云中，在韦伯望远镜的红外图像中明亮地发光，呈现为两个黄色星系核之间的一片绿色薄雾。
这并非一个沉睡的遗迹，而是一个异常活跃的能量源。VLA探测到的射电波和钱德拉探测到的高能X射线都显示出类星体级别的光度——其X射线光度（LX）达到每秒约 1.5×1044 尔格——这证实了该黑洞是一个活动星系核（AGN），正以惊人的速度贪婪地从其气体茧中吸积物质。这些气体本身被确认为失去了电子的氢，正被黑洞吸积盘发出的强烈紫外线和X射线辐射所光致电离。
它的位置，加上其形成时间较近（估计在碰撞后的5000万年内），引导研究团队得出了一个革命性的结论。“它很可能不是碰巧移动到那里，而是在那里形成的，而且时间相当近，”范·多库姆解释道。“换句话说，我们认为我们正在目睹一个超大质量黑洞的诞生。”这与观测早期宇宙中那些古老、已完全形成的类星体有着本质的不同。这里的证据指向一个正在发生中的形成事件，而且发生在一个更近的宇宙时代。
这一发现的重要性，在考虑该系统的精确运动学时，被进一步放大。“核外”一词甚至有些轻描淡写；这个超大质量黑洞并非随机偏离。它在空间和运动学上都精确地位于碰撞的交界面中心。这使得该天体从一个单纯的奇观，转变为一件法医学证据。就像著名的“子弹星系团”中，气体在星系团碰撞时受到冲击并从暗物质晕中剥离一样，“无限”星系中的气体似乎也在撞击点被压缩成一个致密、湍动的残骸。一个新生的超大质量黑洞恰好位于这个残骸的中心，强烈暗示了两者之间存在因果联系。这个黑洞并非偶然闯入战场的局外者；它似乎是这次碰撞所创造的独特物理环境的直接产物。
两种“种子”的故事：主流的超大质量黑洞形成模型
“无限”星系的发现，恰好切入了关于超大质量黑洞起源长达数十年的争论核心。两种主要的理论框架，即“轻种子”模型和“重种子”模型，为这些宇宙巨物的诞生提供了相互竞争的解释。“无限”星系的证据对每种理论的可行性都具有深远的影响。
“轻种子”模型（恒星起源）
超大质量黑洞形成的更传统、自下而上的范式是“轻种子”模型。该模型假设，最早的黑洞是质量相对较小的天体，质量范围从几十倍到可能上千倍太阳质量（M☉）。这些“轻种子”是第一代恒星（即第三星族星）的自然残骸，这些恒星被认为质量极大、寿命极短，并以核心坍缩型超新星的形式结束其生命。
根据该模型，这些散布在早期星系密集环境中的初始种子，会随着宇宙时间的推移，通过两种主要机制成长：一是在星系合并过程中与其他黑洞进行等级式合并，二是通过稳定、持续地吸积星际气体。虽然这个过程在概念上很简单，但其主要制约因素是时间。将一个100倍太阳质量的种子培育成十亿倍太阳质量的巨物，是一个缓慢而艰辛的过程，需要近十亿年持续、接近极限速率的吸积——这是一系列难以维持的“精妙的、最佳生长条件的汇合”。韦伯望远镜不断发现，在大爆炸后仅几亿年就已存在的十亿倍太阳质量的类星体，这给该模型带来了严峻的“时间紧迫问题”。尽管有人认为，韦伯望远镜可能优先探测到最亮、质量最大的黑洞，而忽略了更大数量的较小黑洞，这种观测选择效应并不能完全解决最极端早期超大质量黑洞案例所带来的挑战。
“重种子”模型（直接坍缩）
另一种自上而下的方案是“重种子”模型，该模型提出一些黑洞生来就具有巨大质量。在该模型中，初始种子的质量可以从一万倍到甚至一百万倍太阳质量（M☉）不等。这些“重种子”并非由恒星形成。相反，它们被认为是由一个巨大、致密的原始气体云在自身引力下变得不稳定并内爆而形成的，完全跳过了恒星形成的整个阶段。这个由广义相对论不稳定性驱动的过程，为黑洞的成长提供了关键的“先发优势”，从而可以轻松解释早期宇宙中最庞大类星体的存在。
直接坍缩模型的主要理论障碍一直是“恒星形成问题”。在正常情况下，当一个巨大的气体云坍缩时，它会冷却并碎裂成无数更小、更致密的团块，每个团块都会成为一颗原恒星。要实现直接坍缩，就必须抑制这种碎裂。实现这一目标的经典模型需要一套非常特殊且原始的条件，这些条件被认为只存在于原始宇宙（z>15）中：气体必须几乎完全不含金属（比氢和氦更重的元素），并且必须沐浴在强烈的莱曼-维尔纳紫外光子背景辐射中。这种辐射场会破坏分子氢（H₂），而分子氢是一种极其高效的冷却剂，会促进碎裂。没有了H₂的冷却，气体云会一直保持过高的温度而无法碎裂，从而能够整体性地坍缩。人们普遍认为这些条件极为罕见，因此导致了一个假设：直接坍缩虽然理论上可能，但却是一个仅限于宇宙黎明时期的极其罕见的事件。“无限”星系，正如我们将要探讨的，对这一假设提出了根本性的挑战。
表2：超大质量黑洞种子模型对比分析
| 特性 | “轻种子”模型 | “重种子”（直接坍缩）模型 |
| 种子起源 | 大质量第三星族星的残骸 | 大质量气体/尘埃云的失控坍缩 |
| 初始种子质量 | ~10−1,000M☉ | ~10,000−1,000,000M☉ |
| 形成过程 | 核心坍缩型超新星 | 气体云中的广义相对论不稳定性 |
| 成长机制 | 等级式合并与气体吸积 | 主要是在已具规模的种子上进行气体吸积 |
| 时间尺度 | 缓慢，达到超大质量黑洞状态需>10亿年 | 迅速，提供显著的“先发优势” |
| 主要挑战 | “时间紧迫问题”：解释早期大质量类星体 | “恒星形成问题”：阻止气体云碎裂 |
| 所需环境 | 早期暗物质晕中的致密星团 | 原始、贫金属气体与强莱曼-维尔纳辐射（传统观点） |
“确凿证据”：无限星系中的直接坍缩证据
认为“无限”星系是直接坍缩发生地的论证，建立在一系列相互印证的证据链之上。这些证据系统性地解决了“重种子”模型的核心挑战，同时排除了最 plausible 的替代解释。这一发现不仅提供了一个候选天体，还为其形成提出了一个由动力学而非原始化学驱动的新机制。
碰撞诱发的诞生云
“无限”星系提供的关键洞见在于，即使在更成熟、富含金属的宇宙中，直接坍缩所需的极端条件也可以通过星系合并的强大物理过程产生。传统的直接坍缩模型依赖于无金属气体和莱曼-维尔纳辐射场，以此来阻止气体有效冷却，从而解决恒星形成问题。而“无限”星系存在于一个晚得多的宇宙时期（z=1.14），涉及两个大质量、已演化的星系，它们显然并非无金属。
研究团队提出了一个抑制碎裂的新途径。两个星系盘之间的高速正面碰撞，会在它们的星际气体中驱动强大的冲击波，将其压缩至极端密度，并在两个星系核之间的区域引发剧烈湍流。据推测，这一过程创造了一个“致密结”或“气体残骸”，并使其在引力上变得不稳定。在这个高度湍动的环境中，恒星形成的条件可能被破坏，阻止了气体的碎裂，使其能够整体坍缩成一个单一的、大质量的天体——一个直接坍缩黑洞。这为“恒星形成问题”提供了一个令人信服的物理解决方案，且适用于原始宇宙的狭窄范围之外。它表明，直接坍缩不仅仅是一个与特定时代相关的化学过程，更是一个可以在宇宙历史中由剧烈事件触发的动力学过程。
运动学判决——后续论文
虽然碰撞情景提供了一个合理的叙述，但最终的证据需要运动学检验。这正是范·多库姆及其合作者在第二篇论文（提交至《天体物理学杂志快报》，arXiv:2506.15619）中详细阐述的后续观测的主要目标，该观测利用了韦伯望远镜近红外光谱仪（NIRSpec）的积分视场单元（IFU）模式的强大能力。
NIRSpec IFU使团队能够创建电离气体云运动的详细二维图。通过测量整个云中发射线的都卜勒频移，他们可以确定其内部的速度结构。同时，来自AGN本身的宽发射线——源于黑洞附近旋转的气体——提供了超大质量黑洞整体径向速度的测量值。核心检验就是比较这两种速度。
结果是明确而深刻的。超大质量黑洞的速度被发现“完美地处于周围气体速度分布的中心”，两者相差在约50公里/秒以内。这种运动学上的同步，被团队描述为“我们所追求的关键结果”，是证明该超大质量黑洞是在其现在照亮的气体云中原位形成的最强有力证据。它本质上是云的后代，由其坍缩而生，并相对于其母体处于静止状态。
系统性地排除替代方案
这些关键的运动学数据为排除超大质量黑洞异常位置的主要替代解释提供了有力的依据，而研究人员自己也曾审慎地考虑过这些解释。
- 情景1：失控的黑洞。 这一假说认为，超大质量黑洞是在别处形成的，可能是在某个星系核中，随后被弹出，现在只是碰巧穿过中心的气体云。无论是通过引力弹弓效应还是黑洞合并的反冲，这样的弹出事件都将是剧烈的，会赋予黑洞一个巨大的“诞生速度”或特殊速度。因此，一个穿越气体云的失控天体，其相对于气体的速度应该有显著差异。观测到的速度差异在约50公里/秒以内，使得这一情景在动力学上不太可能。
- 情景2：隐藏的第三个星系。 这一情景认为，这个超大质量黑洞根本不属于“无限”系统，而是第三个独立星系的核，只是碰巧位于同一视线方向上，其微弱的星光被AGN和碰撞星系的强光所淹没。这一解释在多个方面都站不住脚。首先，一个足以容纳百万倍太阳质量超大质量黑洞的星系，不太可能是一个如此容易被隐藏的暗弱矮星系。更重要的是，如果它与一个背景或前景星系偶然对齐，其速度将与红移 z=1.14 的“无限”系统的气体动力学完全不相关。精确的速度匹配再次有力地反驳了这仅仅是一个巧合的可能性。
意想不到的三重奏：谜题的最后一块拼图
NIRSpec的后续观测带来了另一个完全出乎意料的发现，进一步巩固了原位形成的论证。当团队分析两个原始星系核的光谱时，他们发现了明确无误的证据，表明每个星系核也拥有各自的活动超大质量黑洞。这一证据来自于极其宽的氢-阿尔法（Hα）发射线，其半峰全宽（FWHM）约为3000公里/秒。如此宽的谱线是气体在巨大中心天体的深引力阱中以极高速度旋转的经典、明确的标志，证实了该系统中还存在另外两个活动星系核（AGN）。
这个被范·多库姆形容为“意想不到的惊喜”的发现，将该系统从一个拥有新生黑洞的双星系合并，转变为一个罕见而引人注目的三重活动超大质量黑洞系统。“无限”星系包含三个已确认的、正在活跃吸积的黑洞：两个位于原始星系核中的非常巨大的、早已存在的黑洞，以及位于它们之间、新形成的百万倍太阳质量的天体。
这一发现为“失控黑洞”情景，特别是任何涉及引力波反冲的版本，提供了最终的、决定性的反驳。在两个超大质量黑洞合并时，引力波的发射可能是不对称的，这会给最终合并的黑洞一个强大的“反冲”，可能将其从星系核心弹出。然而，两个原始星系核仍然拥有各自的超大质量黑洞这一发现，使得中心黑洞从其中任何一个被弹出的可能性在动力学上变得不可能。一个星系核不可能在通过反冲弹出其中心黑洞的同时，又保留着它。
这些证据的汇集在科学上是强有力的。后续观测提供了两条独立的推理线索，都指向同一个结论。运动学证据（速度匹配）强烈排除了失控情景，而动力学证据（另外两个超大质量黑洞的存在）则使得失控最 plausible 的物理机制（引力反冲）变得不可能。随着主要的替代解释被观测系统性地证伪，中心黑洞是在其现在的位置——通过碰撞诱发的气体云的直接坍缩——诞生的假说，成为了最令人信服和最稳健的解释。
对宇宙学和星系演化的更广泛启示
“无限”星系发现的意义远不止于这一个天体，它有望重塑天体物理学和宇宙学的关键领域。如果得到证实，这一观测不仅为一种理论提供了证据，更为我们审视星系及其中心黑洞的演化提供了一个全新的视角。
最直接的影响是对早期类星体悖论的解答。“无限”星系为快速形成“重种子”的机制提供了一个生动、可观测的范例。一个诞生时质量就达到数十万至一百万倍太阳质量的黑洞，拥有巨大的先发优势，使其更容易成长到宇宙历史最初十亿年内观测到的十亿倍太阳质量级别。这一发现表明，宇宙拥有一条可行的超大质量黑洞形成“快车道”，可能解决了长期困扰“轻种子”模型的“时间紧迫问题”。
或许更深远的是，这一发现表明，直接坍缩并非仅限于宇宙黎明时期独特的原始条件。在“无限”星系中起作用的机制是由剧烈的动力学——星系合并——驱动的，而非无金属气体的特定化学性质。这意味着，只要富含气体的星系以足够剧烈的方式碰撞，自然界就可以在整个宇宙历史中制造出“重种子”。这一观点得到了合著者、“重种子”理论家普里亚姆瓦达·纳塔拉詹的支持，意味着直接坍缩可能是宇宙中比之前想象的更普遍、更持久的特征，并在数十亿年间为超大质量黑洞的成长做出贡献。
这一发现还可能揭示了星系合并生命周期中一个新的、尽管短暂的阶段。我们对星系演化的模型通常关注星暴、潮汐剥离以及最终已存在的中心黑洞的合并。“无限”星系则提出了另一种可能的结果：碰撞本身可以充当一个黑洞工厂，在合并星系之间的湍动交界面触发一个全新超大质量黑洞的诞生。这为我们模拟星系及其黑洞群体如何共同演化的过程增添了新的复杂层次和一条新的潜在路径。
最后，这一发现为韦伯望远镜正在揭示的其他神秘天体提供了关键的物理背景。例如，该望远镜已经识别出一批被称为“小红点”（LRD）的天体，它们被认为是早期宇宙中致密、被尘埃遮蔽且快速成长的超大质量黑洞。“无限”星系为这类天体的起源提供了一个具体的物理模型，展示了一个巨大的、被遮蔽的种子如何在混乱、富含气体的环境中被锻造出来。
结论——未来方向与未解之谜
来自“无限”星系的证据汇集，为气体云直接坍缩成超大质量黑洞描绘了一幅强大、连贯且令人信服的图景。其独特的形态、中心活动星系核（AGN）的核外位置、黑洞与其宿主气体云之间的运动学同步，以及系统原始星系核中另外两个超大质量黑洞的明确存在，共同构建了一个坚实的论证。主要的替代解释——一个失控的黑洞或与背景星系的偶然对齐——已被直接的观测证据系统性地削弱或证伪。
然而，本着严谨的科学探究精神，研究团队保持着谨慎乐观的态度。正如彼得·范·多库姆所说：“我们不能断定我们发现了一个直接坍缩黑洞。但我们可以说，这些新数据加强了我们正在目睹一个新生黑洞的论证，同时排除了其他一些竞争性解释。”这一发现并非终点，而是对更广泛的天文学界的行动号召。
眼下最紧迫的下一步在于理论领域。“现在轮到理论学家们出场了”，他们需要开发复杂的流体动力学模拟，以模拟“无限”星系碰撞的具体初始条件。这些模拟对于检验所提出的机制——冲击诱发的湍动压缩——是否确实能抑制恒星形成，并在观测到的物理条件下导致一个百万倍太阳质量天体的失控引力坍缩至关重要。
在观测方面，团队已经计划了进一步的调查。未来的工作将包括使用凯克天文台等地面望远镜上的先进自适应光学系统，以获得更高空间分辨率的光谱。这些观测旨在探测新生黑洞事件视界附近的气体动力学，为吸积过程及其诞生云的结构提供更深入的见解。
“无限”星系将一个长期的理论争论转变为一个具体、可观测的现象。它作为一个独特的天然实验室，为实时研究超大质量黑洞的诞生提供了前所未有的机会。尽管问题依然存在，需要进一步证实，但这个非凡的系统已经开启了天体物理学的新篇章，有望揭开宇宙最根本的秘密之一：其最巨大天体的起源。
