天文學家在分析詹姆斯・韋伯太空望遠鏡的資料時，發現一個罕見天體，命名為「無限星系」（Infinity Galaxy）。這個系統是由兩個盤狀星系碰撞所形成，結構呈現兩個緊密的核心，各自被環狀結構包圍，外觀酷似數學符號「∞」，因此得名。無限星系距離地球約 83 億光年，位於宇宙的中早期階段。而在這個星系中，天文學家可能首次捕捉到一顆超大質量黑洞正在形成的過程，並指出這顆黑洞並非來自恆星坍縮，而是直接由氣體雲塌縮而成。這項發現支援「重種子」理論，有助解釋為何在宇宙形成後不到十億年內，已經出現質量龐大的黑洞。
在這個由兩個星系合併而成的系統中，研究團隊在兩個星系核之間觀測到一顆活躍的超大質量黑洞。這顆黑洞不位於任一星系核中，而是嵌在中心的氣體區域，這種位置極為罕見。來自其他天文望遠鏡的觀測結果皆指出，該黑洞正大量吸積物質並釋出高能輻射，顯示其正處於快速成長階段。研究人員推測，這可能是首度觀測到由氣體雲直接塌縮形成的黑洞。
圖說：「無限星系」（Infinity Galaxy）是由兩個盤狀星系正面碰撞形成的系統，影像顯示其核心結構、塵埃分佈與恆星性質。左上為韋伯太空望遠鏡三個濾鏡（F090W／F115W／F150W）合成的彩色影像，可見明亮的星系核與周圍環狀結構。右上為 F115W 單濾鏡影像，標示出多項特徵：
- ∞NW（northwest nucleus）：西北側星系核，恆星質量約為 8×10¹⁰ 太陽質量（Mstar ~ 8×10¹⁰ M☉），包含老年與年輕恆星（old and young stars），視覺消光指數約為 2（AV ~ 2）
- ∞SE（southeast nucleus）：東南側星系核，恆星質量約為 2×10¹¹ 太陽質量（Mstar ~ 2×10¹¹ M☉），以老年恆星為主（old stars），AV ~ 2
- ∞cen（central region）：兩核之間的中心區域，具有複雜結構（complex morphology），在紫外波段（rest-UV）中明亮，並可見氫 Hα 與 氮 [N II] 發射線
- 可見大範圍塵埃（widespread dust）與可能的弓形震波結構（bow shocks?）
- 外圍亦可見環或殼層結構（rings or shells），在不易受塵埃遮蔽的長波段中（dust-free bands）更為明顯
下方五幅為單一濾鏡下的觀測影像，從左至右分別為 F606W（λ_rest \= 0.28 μm）、F090W（0.42 μm）、F150W（0.70 μm）、F277W（1.3 μm）、F444W（2.1 μm），展示該系統在不同波段的樣貌。右上角比例尺標示 1 角秒（1.0″），相當於 8,200 秒差距（8.2 kpc）。
傳統的「輕種子」（light seeds）理論認為，黑洞起初來自恆星核心坍縮所形成的小黑洞，質量約為數十到數千個太陽質量，需經由長期合併才能演化為超大質量黑洞。然而，這樣的成長過程所需時間過長，無法解釋宇宙早期即出現的巨大黑洞。因此，也有「重種子」（heavy seeds）理論提出，在特殊條件下，大質量氣體雲可直接塌縮為黑洞，省略中間合併的過程，但這一機制尚缺乏觀測證據。無限星系可能提供了這種極端條件的例項。當兩個星系碰撞時，產生的氣體震波與壓縮作用可能足以觸發塌縮。這類情況雖在現今宇宙中極為罕見，但在早期宇宙中可能相當常見，有助解釋韋伯望遠鏡所觀測到的早期巨大黑洞來源。
為了判斷這顆黑洞是否就是在當地氣體中誕生的，研究團隊比對了黑洞與周圍氣體的移動速度，發現兩者相差不到每秒 50 公里，顯示其運動方向幾乎一致。因此，這顆黑洞很可能是由當地氣體形成，而非從其他星系逃逸過來，或只是偶然穿越的流亡黑洞。此外，研究也發現兩個星系核中各自亦擁有一顆活躍的超大質量黑洞，整個系統總共擁有三顆黑洞。
雖然尚無法完全排除其他可能性，但這項發現提供了極有力的觀測證據，支援「重種子」理論中黑洞可由氣體雲直接塌縮而成。未來觀測將進一步釐清這顆無限星系中新生黑洞的本質，以及它對宇宙早期黑洞形成理論所帶來的啟示。（編譯 / 段皓元）
資料來源：NASA; P. van Dokkum et al. 2025
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