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

• 文／林彥興｜清大天文所碩士生、EASY 天文地科團隊主編、全國大學天文社聯盟監事

本月初 ^[1]，「最靠近地球的黑洞」這個紀錄被刷新了！以天文學家 Kareem El-Badry 為首的團隊，利用蓋亞（Gaia）衛星極度精準的天體位置資料，加上多座望遠鏡聯合進行的徑向速度量測，成功確認了約 1550 光年外位於蛇夫座的一顆恆星，正與黑洞互相繞行，打破離地球最近的黑洞紀錄。

狩獵隱身巨獸的方法

人類搜尋黑洞已經有數十年的歷史。對於正在「進食」，也就是正在吸積物質的黑洞，由於其周遭的吸積盤和噴流等結構會在無線電、X 射線等多個波段發出強烈的電磁輻射，因此相對容易看到；但沒有在進食的黑洞，就要難找許多。

畢竟黑洞之所以被叫做黑洞，就是因為它本身幾乎不會發光。想要尋找這些「沉默」黑洞的方法，通常只能靠著黑洞的重力對其週遭的影響，間接推測黑洞的存在。

其中最常見的方法，就是尋找「繞著看不見的物體旋轉的恆星」。一般來說，恆星在天空中移動的軌跡應只受恆星的視差和自行影響，但如果恆星在與另一個大質量的天體互相繞行，比如我們的目標：沉默的黑洞，那恆星的軌跡就會受到黑洞影響。

因此觀測恆星的移動軌跡，是尋找沉默黑洞的重要方法之一。這個方法最著名的例子，就是 2020 年諾貝爾物理獎得主 Reinhard Genzel 與 Andrea Ghez 藉由長時間觀測銀河系中心的恆星運動（位置與徑向速度），從而確認了銀河系中心超大質量黑洞的存在。

但由於方法間接，用這類方式尋找黑洞時往往很難確定那個「看不見的物體」到底是不是黑洞。舉例來說，2020 年歐南天文台的天文學家宣布發現 HR 6819 是一個包含黑洞的三星系統，卻在更多更仔細的研究後遭到推翻。因此從恆星的運動來尋找「黑洞候選者」相對不難，但是想要消滅所有其他的可能性，「確定」黑洞的存在，就不是一件容易的事。

多方聯合｜鎖定真身

那麼，這次的新研究是怎麼「確定」黑洞的存在的呢？

第一步，天文學家們先把目標鎖定在「形跡詭異」的恆星。因為當一顆恆星與黑洞互相繞行時，恆星在天上的運行軌跡會因為黑洞的引力而有週期性的擺盪。所以，如果我們看到有個恆星的軌跡歪歪扭扭，這顆恆星很可能就是受到黑洞重力影響的候選者。

而目前，蓋亞衛星（Gaia）提供的天體位置資料是當之無愧的首選。蓋亞是歐洲太空總署（ESA）於 2013 年發射的太空望遠鏡，與著名的韋伯太空望遠鏡一樣運行在日地第二拉格朗日點。

但與十項全能的韋伯不同，蓋亞是「天體測量學 Astrometry」的專家，專門以微角秒等級的超高精確度測量天體的位置。每隔幾年，蓋亞團隊就會整理並公布他們的觀測結果，稱為資料發布（Data Release）。目前最新的「第三次資料發布 DR3」之中，就包含了超過 18 億顆天體的海量資料。

經過篩選，團隊發現一顆名為 Gaia DR3 4373465352415301632 的恆星看起來格外可疑。這是一顆視星等 13.77（大概比肉眼可見極限暗 1300 倍，但以天文學的角度來說算是相當亮）、與太陽十分相似的恆星，距離地球約 1550 光年。

找到可能的候選者後，團隊一方面翻閱過去觀測這顆恆星的歷史資料，另一方面也申請多座望遠鏡，進行了四個月的光譜觀測。同時使用從蓋亞衛星的位置（赤經、赤緯、視差）以及從光譜獲得的徑向速度資訊，團隊可以精確地計算出這顆恆星應當是正在繞行一個 9.6 倍太陽質量的天體運轉。

這麼大的質量，卻幾乎不發出任何光，黑洞幾乎是唯一可能的解釋。

但以現有的觀測資料，天文學家仍不能確定它到底是一顆黑洞，還是有兩顆黑洞以相當近地軌道互相繞行，然後恆星再以較大的軌道繞著兩顆黑洞運轉。但無論是一顆或兩顆，Gaia BH1 都刷新了離地球最近黑洞的紀錄，距離僅有 1550 光年，比上一個紀錄保持人（LMXB A0620-00）要近了三倍。從銀河系的尺度來看，這幾乎可說是就在自家後院。

更多黑洞就在前方

最後讓我們來聊聊，找到「離地球最近的黑洞」有什麼意義呢？

「離地球最近的黑洞」這個紀錄本身是沒有太多意義的。雖然說從銀河系的尺度來說，1550 光年幾乎可說是自家後院，但是這顆黑洞並不會對太陽系、地球或是大家的日常生活產生任何影響。既然如此，為什麼天文學家還會努力尋找這些黑洞呢？

其中一大原因，是因為尋找這些與恆星互相繞行的黑洞，可以幫助天文學家了解恆星演化的過程。在銀河系漫長的演化歷史中，曾有數不清的恆星誕生又死亡。我們看不到這些已經死亡的恆星，但可以藉由這次研究的方法，去尋找這些大質量恆星死亡後留下的黑洞 ^[2]，從而推測雙星過去是如何演化，留下的遺骸才會是如今看到的樣子。

除了 Gaia BH1，天文學家也在持續研究 Gaia DR3 之中其他「形跡可疑」的恆星／黑洞雙星候選系統。而隨著蓋亞衛星的持續觀測，更多這類黑洞候選者將會越來越多。研究這些系統，將幫助天文學家進一步了解雙星系統演化的奧秘。

註解

[1] 嚴格來說，論文九月中就已經出現在 arXiv 上了。

[2] 嚴格來說，恆星質量黑洞（stellar mass black hole）是大質量恆星的遺骸。超大質量黑洞（supermassive black hole）就不一定了。

延伸閱讀

1. El-Badry, K., Rix, H. W., Quataert, E., Howard, A. W., Isaacson, H., Fuller, J., … & Wojno, J. (2022). A Sun-like star orbiting a black hole. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 518(1), 1057-1085.
2. [2209.06833] A Sun-like star orbiting a black hole
3. Astronomers Discover Closest Black Hole to Earth | Center for Astrophysics
4. The Dormant Stellar-Mass Black Hole that Actually Is | astrobites
5. Astronomers find a sun-like star orbiting a nearby black hole
6. 狩獵隱身巨獸：天文學家發現沉默的恆星質量黑洞？ – PanSci 泛科學
7. 「最靠近地球的黑洞」其實不是黑洞
8. 人們抬頭所遙望的星空是恆定不變嗎？ – 科學月刊Science Monthly

•  文／泛科學編輯部（曹盛威、郭令鈞、雷雅淇、侯郁家、劉品萱）

你看過黑洞嗎？不論有沒有，你都可以再靠近一點！這張就是黑洞近照：

還記得 2019 年 4 月拍攝到的第一張黑洞照片嗎？那是來自 5500 萬光年以外的 M87 星系。三年後的現在，也就是臺灣時間 2022 年 5 月 12 日晚間，「事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）」舉辦全球記者會，公布人類史上第二張黑洞照片。

• 延伸閱讀：【特輯】為什麼黑洞長得像甜甜圈？十個關於黑洞的快問快答，來測測你跟黑洞有多熟！

第二張黑洞照片主角的所在地，你一定很熟悉，因為它跟我們一樣都位在「銀河系」——沒錯，銀河系中心的超大質量黑洞首次亮相啦！這張轟動全球的照片為什麼如此振奮人心呢？一切都要從「銀河系中心」開始說起。

我們怎麼知道銀河系中心有黑洞？

銀河系的中心到底有什麼呢？整個 20 世紀，科學家都在猜測這個問題的答案。

1933 年，美國貝爾實驗室的工程師央斯基（Karl G. Jansky）在解決背景雜訊干擾無線電通訊的過程中，意外發現最強烈的干擾源是來自人馬座方向的無線電短波，而這個方向正好指向銀河系中心。後來，這個無線電波源的位置就被稱為「人馬座 A」。這是人類第一次使用可見光以外的電磁波段觀測銀河，從此開啟了無線電天文學的發展。

• 延伸閱讀：無線電天文學的誕生│科學史上的今天：5/5

二戰結束後，各國紛紛投入無線電天文學的領域。1970 到 1980 年代，隨著科技不斷進步，天文學家發現人馬座 A 是由多重結構所組成。

1974 年，巴利克（Bruce Balick）和布朗（Robert Brown）使用更精巧的電波望遠鏡，發現人馬座 A 的某特定區域釋放出明亮且緻密的無線電波，由於此特定區域是人馬座 A 最活躍的地方，因此以原子激發態—— *（唸作 Star 或「星」）來表示，將其命名為人馬座 A 星（Sagittarius A*）。

不知表面攝氏千萬度是何許天體也

根據不同波長的電波與射線得到的觀測結果，銀河系中心簡直是「金光閃閃、瑞氣千條」，各個波段的電磁波應有盡有！其中，最耐人尋味的是 X 射線。為什麼呢？

根據黑體輻射原理（Black-body radiation），如果一個物體主要發出的是 X 射線，那它的表面溫度估計超過攝氏 1000 萬度；相較於我們的太陽，主要發出的是可見光，表面溫度約為攝氏 5500 度。

天啊！這個「攝氏 1000 萬度以上」的天體究竟是何方神聖？

1960 年代，天文學家姑且把這些未知天體稱為「類星體（Quasar）」。一開始推測類星體可能是黑洞、中子星、脈衝星、超新星等等，而目前主流學界認為「類星體就是黑洞」。

在黑洞的吸積盤上，高速繞行的物質會因劇烈的摩擦、碰撞，而產生高溫與磁場，並且激發強烈的電磁輻射。因此，天文學家認為，銀河中心強烈 X 射線的來源可能是黑洞。

另外一種觀測黑洞的方式是長時間紀錄恆星的軌道。如果發現這些恆星正在繞著看不見的天體運行，這個天體就有可能是個黑洞。

2020 年的諾貝爾物理學獎得主是德國科學家根策爾（Reinhard Genzel）和美國科學家吉茲（Andrea Ghez）。他們透過當時世界上最大的光學望遠鏡，花了 30 年監看銀河系中心，追蹤附近恆星的軌道運動，發現人馬座 A 星附近，有很多恆星快速地環繞運行。

• 延伸閱讀：【快訊】你說的黑洞，是哪種黑？揭開宇宙最黑的秘密──2020 諾貝爾物理獎

地球的運行速度最快只有每秒 30 公里，但在人馬座 A 星附近，有一顆稱為「S2」的恆星，最快甚至能以每秒 7000 公里的速度運行！從 S2 的完整軌道與速度來計算，人馬座 A 星的質量相當於 400 萬個太陽，半徑卻只有太陽的 17 倍。這樣極端的密度指向了一種可能性，那就是超大質量黑洞。

所以啦，早在 1990 到 2000 年代，「銀河系中心有個超大質量黑洞」就成了整個天文界乃至全世界都有的共識。

至於超大質量黑洞是怎麼來的，目前還是個謎。

一般認為黑洞是恆星死亡後的產物，但根據觀測，這些超大質量黑洞在宇宙大爆炸後的七億年就存在了。矛盾的是，那時的宇宙可以說是處在幼兒階段，重力還在吸引星雲聚集，成形的恆星屈指可數，完全無法解釋為何會有恆星死亡變成黑洞。這也成了世界各地的天文學家爭相研究的謎團。

有圖有真相，人馬座 A 星有照片嗎？

這不就來了嗎？2022 年 5 月 12 號，事件視界望遠鏡（EHT）公佈了人馬座 A 星的影像，請大家掌聲鼓勵！就讓我們來解讀這個最新的黑洞寫真吧！

由於黑洞本身不發光，我們要觀測的是黑洞周圍的光線被吃掉的範圍，也就是黑洞中央黑色區域的大小。不過，黑洞本身的尺寸其實比中心那塊陰影區域更小！

首先，「黑洞本身的尺寸」正確來說是「事件視界」的大小。事件視界的半徑即為「史瓦西半徑（Schwarzschild radius）」，只要知道黑洞質量就能推算出來，像人馬座 A 星的史瓦西半徑是 1200 萬公里。

當光行經事件視界外圍，也會沿著因重力而扭曲的空間彎折，最終被吸進黑洞，成了我們看不見的那塊圓形陰影，而「黑洞吃掉的影像範圍」（或稱為「陰影」）指的就是除了事件視界本身以外，還有多少範圍是全然的黑暗。

根據廣義相對論，「陰影」的半徑是史瓦西半徑的 2.6 倍。

包傑夫（Geoffrey Bower）是中研院天文所的資深天文學家，同時也是 EHT 計畫的成員。他在記者會上表示，「這次公布的影像捕捉到被強大的黑洞重力所扭曲的光線，而亮環大小也吻合愛因斯坦的廣義相對論」。

EHT 如何捕捉黑洞影像？

天文影像的解析度將整個天空分成 180 度，每度有 60 角分，每角分有 60 角秒，每角秒分成 1000 毫角秒，每毫角秒再分成 1000 微角秒。以黑洞成像而言，人馬座 A 星與 M87 黑洞的陰影尺寸分別是 50 微角秒和 42 微角秒。

因此，從地球觀測這兩個黑洞的難度相當高，可以想像成從地球看月球上的一顆橘子，需要直徑非常大，甚至等同地球直徑大小的望遠鏡才能辦到。所以，EHT 真的在宇宙中建造了和跟地球一樣大的……（不要瞎掰好嗎！）

EHT 使用了特長基線干涉（VLBI）這項技術。簡單來說，就是透過結合兩座或多座無線電望遠鏡的觀測資料，重組出宛如單一望遠鏡的觀測結果。望遠鏡彼此之間的距離越大，組合出的解析度越好！根據中研院天文所郭駿毅博士的形容，EHT 的解析度銳利到足以從臺北看見東京的一粒沙！

• 延伸閱讀：誰在海邊蓋天文台啊（惱）——世界第一座電波干涉儀、什麼是特長基線干涉儀？—GLT FAQs

那為何不是先拍到距離我們比較近的人馬座 A 星，而是先公布 M87 的影像呢？其實，在 2017 年時，EHT 就同時觀測 M87 星系和銀河系中心的超大質量黑洞。人馬座 A 星雖然離地球較近，約 27,000 光年，但質量較小，難以觀測。

美國斯圖爾德天文台（Steward Observatory）的 EHT 科學家陳志均解釋，黑洞附近的氣體移動速度接近光速，加上人馬座 A 星比 M87 黑洞小 2,000 倍，周圍的軌道也更小，其造成的氣體擾動導致影像變化速度過快，「就像在拍一隻追著自己尾巴跑的小狗」，必須使用更複雜的成像技術，才能取得足夠清晰的照片。

也因為這樣的速度差異，這次銀河系中心黑洞的照片才會跟 M87 長得不一樣，形成有三個亮點的圖片。不過，這些明暗差異並不是都卜勒效應造成的。師大物理系助理教授卜宏毅表示，只要拍攝物體移動過快，就會留下殘影。然而，這並不影響我們解析黑洞半徑。

這次並沒有明確觀測到噴流。科學家對於銀河系中心黑洞是否存在噴流，目前仍有待商榷。

特長基線干涉技術支援科學家黃智威表示，這次的黑洞圖像也替未來的黑洞觀測打下良好的基礎。目前，學界將「超大質量」定義為 100 萬倍到 10 億倍太陽質量的數量級，估計 M87 約為 35 至 66 億太陽質量，而這次的銀河系黑洞為 400 萬太陽質量。

也就是說，目前觀測到唯二有清晰影像的黑洞，正好就是超大質量黑洞的最小值與最大值，而這兩張影像所呈現的特徵有許多相似之處，比如皆具有黑洞剪影及光環。如果連極端值都具有這些特徵，那麼理論上，其他大小的黑洞也都會有。

另外，黑洞也扮演著孕育恆星的重要角色。只要能夠深入了解黑洞的結構，想必也能更加深刻地了解銀河系的歷史。

• 延伸閱讀：毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成

天文所紀柏特（Britton Jeter）博士將拍攝人馬座 A 星的過程描述為「將一部電影濃縮成為一張影像」。這整個過程費時 5 年，有賴美國、加拿大、歐洲及臺灣的努力，利用世界各地的超級電腦運算龐大的觀測資料，再經由多次模擬、調校，才得以成像，讓我們能夠親眼看到這個「潛伏在銀河系中心的巨獸」。

臺灣在黑洞計畫中扮演的角色

這次公布的黑洞影像，由全球各地 8 座望遠鏡共同完成，其中有 3 座和臺灣淵源匪淺，分別是由中研院參與建造或負責運轉的「次毫米波陣列（SMA）」、「馬克斯威次毫米波望遠鏡（JCMT）」，以及「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列（ALMA）」。

從 2017 年黑洞計畫啟動以來，中研院天文所就參與其中，合作夥伴包括國立中山大學、國立臺灣師範大學、國家中山科學研究院。從觀測、分析數據到成像，尤其在疫情之下，能夠持續投入，並且有如此卓越的成果，實屬不易。

未來展望

目前，EHT 團隊正在分析 2018 與 2021 年的觀測資料。除了上表 8 座天文望遠鏡以外，這些觀測活動還有格陵蘭望遠鏡（Greenland Telescope）與另外兩個望遠鏡參與，想必可以讓我們更清楚地看到 M87 和人馬座 A 星的黑洞影像。未來，團隊也期許能夠透過更高頻率的觀測，一窺更小的黑洞。

• 延伸閱讀：北極圈內唯一！格陵蘭望遠鏡開張，連線「全球陣列計畫」把宇宙看得更清楚

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

本文為系列文章，前文請見：
黑洞是什麼？速度要多快才能脫離黑洞呢？──黑洞大解密（一）
太陽會變成黑洞嗎？可不可以利用黑洞做時空旅行？──黑洞大解密（二）

超大質量黑洞是什麼？

依照黑洞的質量來分類，黑洞主要分成兩種，一種是恆星質量黑洞，這是超過 25 倍太陽質量恆星演化的最終結果，這類黑洞的質量大約是幾倍到幾十倍的太陽質量之間。另一種是超大質量黑洞，超大質量黑洞的質量非常巨大，大約是數十萬到數十億太陽質量。我們銀河系中心有一個超大質量黑洞，這顆黑洞位在人馬座的方向，所以被稱為人馬座 A*（Sgr A*），它距離我們約 26000 光年。

人馬座 A* 黑洞的質量有多大呢？算出人馬座 A* 黑洞質量的方法，跟算出太陽質量的方法是一樣的。我們知道地球跟太陽的距離和地球繞太陽的時間，運用簡單的牛頓力學就可以得到太陽的質量。

科學家用地面上的巨大望遠鏡，經過數十年的觀測，發現幾顆恆星以橢圓軌道繞著人馬座 A* 運行，人馬座 A* 位在橢圓的焦點上。這些恆星都繞著人馬座 A* 運行，不過它們並沒有被黑洞吞食。這些恆星運行的速度非常快，如果不是人馬座 A* 有強大的重力把它們拉住，它們早就不知道飛到哪裡去了。

其中一顆編號 S2 的恆星繞人馬座 A* 的週期是 15.6 年，S2 距離人馬座 A* 最近時只有 120 天文單位，也就是地球和太陽距離的 120 倍。根據 S2 的運行軌道，科學家就可以算出人馬座 A* 的質量，這個黑洞的質量大約是太陽質量的 400 萬倍！

人馬座 A* 這個超大質量黑洞會吞掉整個銀河系嗎？當然不會，因為它連距離非常近的恆星 S2 都吃不到，其他的天體離人馬座 A* 更遠，更不會受人馬座 A* 影響，所以人馬座 A* 不會吞掉整個銀河系。

人馬座 A* 事實上正在挨餓中？

我們的銀河系中心有個巨大黑洞，其他星系的中心也有巨大黑洞嗎？根據天文學家的研究，幾乎每個大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞存在著。距離我們相當近的仙女座星系，就有一顆大約 1 億倍太陽質量的黑洞！另外，M87 橢圓星系裡的超大質量黑洞則超過 10 億倍太陽質量！

目前人馬座 A* 並不活躍，也就是它幾乎沒有在進食，這一點可以從人馬座 A* 的 X 射線影像看出來。超大質量黑洞發出愈強的 X 射線，代表黑洞吞食愈多物質、愈活躍，而目前人馬座 A* 發出的 X 射線並不強烈，表示人馬座 A* 沒有在進食。不過人馬座 A* 並不是在節食不吃東西，而是食物吃完了，又沒有人持續餵它食物，所以這個超大質量黑洞目前在挨餓中⋯⋯。

不過，一樣是超大質量黑洞，類星體的超大質量黑洞可就幸運多了，它現在可正在大吃特吃呢！類星體是一種相當特別的天體，它的超高亮度正是因為這顆吃貨超大質量黑洞，類星體 3C 273 就是一個例子。

類星體 3C 273 是什麼？

1959 年，英國劍橋大學發表第三個無線電波天體目錄（Third Cambridge Catalogue of Radio Sources，簡稱為 3C），這是當時最完整的無線電天體目錄之一，目錄中一共有 471 個天體。這些無線電波天體就以 3C 加上流水號命名，3C 273 就是這個目錄中第 273 號天體。

天文學家在無線電波發現新的天體時，通常會先去找這個天體在可見光相對應的天體，這是因為天文學家對可見光的天體比較熟悉。這 471 個天體中，有些是已知會放出無線電波的電波星系和超新星殘骸，例如 3C 405 是天鵝座 A 電波星系， 3C 461 則是仙后座 A 超新星殘骸。

不過天文學家對其中一些無線電波源卻是一無所知，例如 3C 273。天文學家在仔細比對 3C 273 的位置後，發現 3C 273 在可見光是一個像星星的天體，看起來相當於 13 等星。因為這類的天體看起來像是一顆星星，所以稱它們為「類星體」。

根據光譜的觀測，3C 273 的紅位移是 0.16，表示 3C 273 距離我們相當遙遠；即使看起來像顆星星，卻不屬於銀河系，它是距離我們大約 24 億光年的天體！從 3C 273 的距離，推算它的亮度大約是銀河系這樣星系的百倍以上！

為什麼類星體那麼亮？

根據天文學家的研究，類星體跟我們的銀河系都一樣是星系，它們的核心都有一個超大質量黑洞，不同的地方是類星體的超大質量黑洞正在吞食吸積盤上的物質，而銀河系內的超大質量黑洞則正在節食。銀河系的能量主要來自於恆星發出的光，而類星體則來自於環繞黑洞的吸積盤，吸積盤上的物質相互摩擦，發出巨大能量！這種產生能量的效率比恆星的核融合反應還要高約十倍以上！這就是為什麼類星體會這麼亮的原因。

類星體中的超大質量黑洞是怎麼來的？是靠恆星質量黑洞吞食黑洞和恆星而形成的嗎？如果超大質量黑洞是恆星質量黑洞和恆星合併來的，那至少需要數萬顆恆星質量黑洞或恆星合併在一起，黑洞和黑洞（或恆星）之間的距離遙遠，要讓這麼多天體合併在一起相當困難。要如何形成一顆超大質量黑洞？這些問題對科學家來說還是一個未解之謎。

• 本文轉載編修自：屋頂上的天文學家

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