港大天文与天体物理研究所天文学家参与国际研究 揭示100亿年前休眠黑洞质量

位于星系中心的黑洞

天文学界普遍认为，绝大多数大质量星系的中心都藏有一个超大质量黑洞。虽然黑洞本身无法被直接观测，但其存在可透过它附近恒星运动的引力影响显现出来。这正是天文学家Reinhard GENZEL 与 Andrea GHEZ研究银河系中心超大质量黑洞背后的原理。他们透过长达三十年的恒星动力学观测，精确测量银河系中心黑洞的质量，并因此共同获得 2020 年诺贝尔物理学奖。

在较接近地球的星系中，天文学家亦借助分析恒星的整体运动，推算其中心黑洞的质量。然而，这类测量一般只适用于距离地球约约 6.5 亿光年以内的星系。将这种方法应用于更遥远的星系极为困难，因为黑洞引力影响的范围非常细小；当距离达数十亿光年之外，现有观测技术几乎无法分辨。

在这项研究中，研究团队观测了 MRG-M013——一个大质量星系。由于其光线经过约 100 亿年才抵达地球，因此天文学家看到的是它在早期宇宙中的样貌；当时宇宙年龄仅为今天的约四分之一。团队在其中心发现了一个休眠超大质量黑洞，质量约为 太阳的60 亿倍。

这个黑洞处于非活跃状态，意味着它目前并没有大量吞噬周围气体，因此不会像类星体般发出耀眼光芒。研究团队透过其引力效应确认它的存在：星系中心附近恒星的运动显示，该处存在一个极为庞大而高度集中的质量。由于其密度过与密集，不可能由一般恒星团构成，最合理的解释是一个超大质量黑洞。

团队如何为黑洞「秤重」

这项研究得以实现，主要有赖詹姆斯·韦伯太空望远镜，以及引力透镜效应的结合——一个位于前景的大质量星系团，扮演了天然的「宇宙放大镜」，将 MRG-M0138 的光放大约 30 倍，让研究团队得意更清楚地观测和研究星系中心附近恒星的运动。

结果令人相当意外——若以星系中心核球的质量来看，这个黑洞相对于其宿主星系似乎过于巨大；但若从其他角度比较，情况则未必完全一样。

相对于星系的核球质量，这个黑洞的质量约为近邻宇宙中所预期值的 12 倍。核球质量指的是星系中心致密区域内恒星的总质量。简单来说，若按今天宇宙中常见的比例来看，MRG-M0138 的中心恒星质量似乎不足以匹配如此巨大的黑洞。

然而，若以星系的恒星的运动速度的分布比较，这个黑洞的质量显得相当「正常」。简单来说，恒星在星系中心附近移动得有多快、速度差异有多大，可反映该区域的引力有多强。

综合这两项发现，天文学家得到了一条重要线索：黑洞以及星系中心的恒星运动状态似乎已经成熟，但整个星系的恒星质量仍未完全跟上。换言之，星系中央的引擎已率先成形，而周围的星系结构仍在继续发展。