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麻雀雖小,五臟俱全:迄今已知最小星系也擁有超大質量黑洞

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美國猶他大學(University of Utah)天文學家Anil Seth等人發現一個超緻密矮星系(ultracompact dwarf galaxy,UCD)居然擁有超大質量黑洞(supermassive black hole),而且這個超緻密矮星系還是迄今已知最小、最輕的星系呢!這項發現顯示超大質量黑洞可能比之前認為的還要更普遍。

這些天文學家利用位在夏威夷的雙子北(Gemini North)8米望遠鏡進行可見光至紅外波段的觀測,並配合哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)當初發現M60-UCD1這個矮星系的系列影像,結果發現M60-UCD1星系的核心有個質量約為2100萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

現行已知許多星系的中心都擁有質量超過100萬倍太陽質量的超大質量黑洞,例如我們銀河系核心就有個400萬倍太陽質量的超大質量黑洞,看來數字頗大,但其實不到銀河系總質量(500億倍太陽質量)的0.01%。但這種認知僅限於一般星系,天文學家可不認為總質量那麼小的矮星系們會有機會形成超大質量黑洞。

然而M60-UCD1星系的總質量僅有1億4000萬倍太陽質量,卻在其中心發現竟然能擁有質量高達2100萬倍太陽質量的超大質量黑洞,佔了星系總質量的15%左右,比例高得驚人。

銀河系大小是M60-UCD1的500倍,質量是M60-UCD1的1000倍以上,這個已知最輕最小的星系卻還能擁有超大質量黑洞,那麼或許同理之下,其他超緻密矮星系擁有超大質量黑洞的比例可能非常高。只不過這些矮星系很可能在與其他星系碰撞期間被撕裂或吞併,殘餘份子被併入成為大型星系內的一部份。不過,這些天文學家還不清楚為何這麼小的星系,竟能擁有這麼大的黑洞?

Seth等人認為:曾有個擁有成員星上百億個的大型星系,與M60這個更大、更重的大型星系的核心區域近距離擦身而過,導致原星系外圍區域內的所有恆星和暗物質被剝離,成為M60的一部分。Seth等人猜測這個過程有可能發生在約100億年前,不過由於有辦法確認M60周圍矮星系的軌道,所以不能肯定確切的時間點。

M60(NGC 4649)是個巨型橢圓星系,位在室女座方向,距離約5500萬光年,是我們銀河系附近的「局部宇宙( local universe)」中最大的星系群—室女座星系團成員之一,與另一個星系NGC 4647有重力交互作用,M60為NGC 4647的25倍重。已知M60擁有數個衛星星系,其中之一便是M60-UCD1。在M60中心的超大質量黑洞,質量高達45億倍太陽質量,約是銀河系中心超大質量黑洞的1,000倍以上。或許未來M60-UCD1也會與M60合併,屆時兩個超大質量黑洞合而為一時,將造就一個更龐大的黑洞巨獸。

超緻密矮星系與超大質量黑洞

超緻密矮星系是宇宙中密度最高、最緻密的恆星集合系統之一;M60-UCD1又是已知的超緻密矮星系中質量最大的。這些超緻密矮星系的大小一般在數百光年左右,與銀河系約100,000光年直徑相較之下,只能算是蕞爾彈丸之地了。

M60-UCD1距離地球約5400萬光年,不過距離M60卻僅有22,000光年,比我們的太陽還靠近銀河系中心。對於這些矮星系是否會被大型星系的核心扯碎,或是殘餘的成員是否會形成球狀星團這樣的結構等等,天文學家很久之前便開始有所爭議。球狀星團的成員數可多達100,000之眾,而且這些成員星幾乎都是一起誕生的手足。銀河系已知的球狀星團數量約有200個左右,有些星系擁有的球狀星團數量甚至多達數千個。

這些天文學家利用雙子北望遠鏡測量矮星系中心的超大質量黑洞周圍的恆星運動模式和速度,由此估計超大質量黑洞的質量。結果顯示由恆星發出的輻射量來看,這個矮星系所含有的質量比預期的還多。靠近M60-UCD1中心的恆星,移動速度高達每小時370,000 km,也比沒有黑洞狀況下預期應有的移動速度快很多。

有天文學家認為或許M60-UCD1中心並沒有超大質量黑洞,而是一大群質量很大的暗恆星。但Seth等人由雙子北觀測結果,以及哈柏太空望遠鏡曾拍過的M60影像分析得出M60-UCD1的質量集中在中心區域,顯示M60-UCD1有超大質量黑洞,所以M60-UCD1應該是某個大型星系被剝離過的殘餘核心,而其他超緻密矮星系也可能擁有龐大的超大質量黑洞。

當初Seth等人之所以挑選M60-UCD1為研究目標,是因為去年曾有論文指出這個矮星系是個X射線源,而且密度非常高。從X射線輻射強度,可推測這個矮星系中心的黑洞吸入氣體的速率,居然和質量比M60-UCD1大許多的星系中心的典型超大質量黑洞一樣快,顯得M60-UCD1極不尋常。

資料來源:Smallest Known Galaxy with a Supermassive Black Hole. University of Utah [2014.09.17]

本文轉載自網路天文館

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