1、JWST 進(jìn)一步證明種子黑洞存在
我們知道，大部分星系中心都坐落著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。通常來說，星系中心的黑洞其實(shí)還算安靜，平時(shí)主要以吸積盤中的氣體為食，偶爾也吃點(diǎn)恒星什么的零食。所以對于成熟星系來說，它的星系核亮度對星系整體來說并不占主導(dǎo)地位，星系的亮度主要還是靠內(nèi)部的恒星光芒。
但是對于一個(gè)星系幼崽來說，它的中心黑洞就十分狂躁了。比如那些遙遠(yuǎn)的類星體，它中心的黑洞宛如饕餮一般在瘋狂干飯。我們看到的類星體的光，幾乎都是由那個(gè)活躍的星系核發(fā)出的。恒星在它周圍宛如螢火蟲環(huán)繞在探照燈旁，可以說幾乎看不到。然而如今在 JWST 超高的靈敏度和分辨率下，天文學(xué)家首次在類星體的光芒中分辨出了來自恒星的“微弱”亮光。
前不久（2024 年 5 月），一篇發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》上的文章中，麻省理工的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對 JWST 近紅外相機(jī)拍攝的六個(gè)類星體（5.9<z<7.1）進(jìn)行了光譜分析，然后通過圖像擬合等手段，他們成功探測到了三個(gè)類星體宿主星系的亮光，這些恒星光僅占類星體光芒的 1%~5%。
基于這些微弱的光，研究團(tuán)隊(duì)估計(jì)了這些星系的質(zhì)量以及它中心黑洞的質(zhì)量。通過比較他們發(fā)現(xiàn)，這些類星體的中心黑洞實(shí)在過于巨大了，完全不像個(gè) 8 億歲孩子該有的樣子。研究人員估計(jì)，這些類星體中心黑洞的質(zhì)量可以占到整個(gè)宿主星系質(zhì)量的十分之一；而對于今天的成熟星系來說，這個(gè)數(shù)字通常僅有千分之一。于是問題來了：宇宙中究竟是先有的星系，然后星系中心的物質(zhì)再聚集成了黑洞？還是說是先有的黑洞，物質(zhì)再在黑洞周圍聚集成了星系？
按照傳統(tǒng)觀點(diǎn)，宇宙誕生之初并沒有黑洞，黑洞是隨著恒星的出現(xiàn)才有的，也就是大質(zhì)量恒星到了演化末期坍縮成的恒星級的黑洞。由于星系中心物質(zhì)更為密集，大質(zhì)量恒星接二連三地出現(xiàn)，于是大量的黑洞就被“量產(chǎn)”了出來。隨著時(shí)間推移，這些黑洞不可避免的相互碰撞合并，最終形成了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
然而這種觀點(diǎn)后來遇到了越來越多的問題，比如很多超大質(zhì)量黑洞（尤其是那些上億倍太陽質(zhì)量的黑洞），如果按照黑洞合并的觀點(diǎn)，它們耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于星系的年齡，甚至于比宇宙年齡還要長。所以現(xiàn)如今的科學(xué)界普遍認(rèn)為，這些星系中心的超大質(zhì)量黑洞，它們應(yīng)該有著其他形成機(jī)制，至少不是單純的黑洞合并。比如說可能在宇宙誕生之初，由于某些原因宇宙中直接形成了一批原初黑洞。其中個(gè)頭較大的那些成為了種子黑洞，后來的星系中心黑洞在它們的基礎(chǔ)上繼續(xù)“做大做強(qiáng)”，最終成為了異常巨大的超大質(zhì)量黑洞。
當(dāng)然，這只是其中一種解釋。但不管哪種解釋，總之，如今的觀點(diǎn)認(rèn)為這些黑洞都不是“白手起家”，而是繼承了某種種子黑洞的“家業(yè)”。這次的研究算是用實(shí)際觀測數(shù)據(jù)進(jìn)一步印證了該觀點(diǎn)。
2、金星上的水去哪了
雖然火星是繼登月之后人類下一個(gè)要登陸的地外天體，但是太陽系行星中要說和地球最像的，那還數(shù)是金星。無論是質(zhì)量個(gè)頭還是結(jié)構(gòu)組成，金星一直被譽(yù)為地球的“姊妹行星”。在探測器尚未抵達(dá)的年代，人們曾一度幻想，有著大氣層的金星或許上面和地球一樣存在著某種“金星生命”甚至是“金星人”。
然而后來人們發(fā)現(xiàn)，金星確實(shí)有大氣層，但是它的大氣層過于濃厚了。而且和地球大氣不同的是，金星的大氣主要由二氧化碳構(gòu)成，這使得金星地表的大氣壓幾乎是地球的一百倍。高濃度的二氧化碳帶來的還有另一個(gè)后果，就是創(chuàng)造了太陽系最強(qiáng)的溫室效應(yīng)。太陽輻射的熱量被牢牢鎖在大氣層中，這使得金星的表面溫度長年保持在四百多攝氏度（735K），甚至比距離太陽最近的水星溫度（695K）還高。
隨著探測器的到訪，現(xiàn)在我們知道，金星的表面完全就是地獄，別說類似地球的生命了，就是生命賴以存在的先決條件 —— 水都不可能存在。金星的表面雖然也會下雨，但是那里下的是硫酸雨。如果你要說“外星生命非得和我們一樣嗎？硫酸中就不能有生命嗎？” 欸，你還真說著了，這個(gè)話題之前還專門說過，感興趣的可以去雜談系列找一下。
如今的金星可謂十分干涸，整個(gè)金星的水含量只有地球的十萬分之一。雖然如此，但一些研究表明，在數(shù)十億年前，金星的大氣層并不是今天這樣，當(dāng)時(shí)的金星有著和現(xiàn)在的地球一樣的大氣層，表面也遍布著液態(tài)水。后來不知為何，金星的溫室效應(yīng)逐漸失控，地表水開始蒸發(fā)進(jìn)入大氣層。水蒸氣作為溫室氣體的一種，進(jìn)一步加劇了金星的溫室效應(yīng)。慢慢地，整個(gè)金星地表上的水被烘烤得一干二凈。與此同時(shí)，大氣層中的水分子在陽光的作用下被分解成了氫氣和氧氣（2H?O = 2H? + O?）。氫氣本來密度就低，再被太陽風(fēng)一吹，于是大部分氫就這樣逃逸到了太空中。
雖然金星上的水（或者說大部分的氫）可以通過這種流體力學(xué)的方式逃走，但該方式并不能讓金星“脫水”的如此徹底。就像你把杯子里的水全都倒掉，但里面總會殘留幾滴。因此金星上一定還存在其他未知的“脫水”機(jī)制。目前雖然有一些研究可以讓氫繼續(xù)逃逸，但是整個(gè)過程十分漫長，并不符合金星的現(xiàn)實(shí)情況。
前不久（2024 年 5 月），一篇發(fā)表于《自然》上的文章中，研究人員提出了一種通過解離重組（DR）反應(yīng)讓氫快速逃逸的新模型。這一模型其實(shí)原本是用來模擬火星大氣的，后來發(fā)現(xiàn)這個(gè)過程似乎同樣適用于金星。
研究人員認(rèn)為，在早先的金星大氣中存在許多由氫、碳、氧構(gòu)成的帶正電的離子（HCO?）。當(dāng)它捕獲一個(gè)電子后會生成一個(gè)一氧化碳分子（CO）和一個(gè)氫原子（H）。這個(gè)過程中產(chǎn)生的氫原子具有相當(dāng)高的動能，以至于它可以逃逸到太空中。該解離重組過程大大加速了金星大氣中氫的逃逸，而且該過程可能一直持續(xù)到今天。這么說的話，那之前發(fā)射的金星探測器有沒有發(fā)現(xiàn)過這種離子呢？
很可惜，當(dāng)年的探測計(jì)劃并沒有針對這一過程定制探測任務(wù)。但是在先前的探測數(shù)據(jù)中，研究人員確實(shí)發(fā)現(xiàn)了解離重組過程產(chǎn)生的相應(yīng)反應(yīng)物，這在一定程度上也算間接證明了該模型。希望未來的金星探測器會針對這一問題進(jìn)行專門的驗(yàn)證。
[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
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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