港大天文学家参与揭示100亿年前休眠超大黑洞质量

据香港大学7月7日消息，一个包括香港大学香港天文与天体物理研究所教授顾梦在内的天文研究团队，首次直接测量出早期宇宙中一个休眠超大质量黑洞的质量，约为太阳质量的60亿倍。该研究发表于《科学》第392卷第6802期，顾梦为论文第二作者。这项研究成果有助揭示超大质量黑洞与其宿主星系如何共同演化，为了解星系形成和演变提供重要线索。

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。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；当距离在数十亿光年之外，现有观测技术几乎无法分辨。

本次研究的观测对象为大质量星系MRG-M0138，其光线历经100亿年抵达地球，呈现的是宇宙年龄仅为如今四分之一时的早期样貌。研究团队在其中心发现一个质量约为太阳60亿倍的休眠超大质量黑洞——该黑洞处于非活跃状态，未大量吞噬气体，因此不会像类星体一样发出强光。团队通过星系中心恒星的运动特征确认，该处存在密度极高的集中质量体，无法用普通恒星团解释，最合理的结论是超大质量黑洞。

研究借助詹姆斯・韦伯太空望远镜与引力透镜效应的结合，将一个位于前景的大质量星系团作为天然的“宇宙放大镜”，将MRG－M0138的光放大约30倍，让研究团队得以更清楚地观测和研究星系中心附近恒星的运动。最终观测结果令人意外：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，若以星系恒星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。这项研究有助回答天文学中的一个重要问题：超大质量黑洞与星系究竟是同步成长，还是其中一方可以较早成熟？这项发现显示，至少在某些大质量星系中，黑洞及其星系中央核心可能在早期宇宙中迅速成长；而宿主星系则可能在其后，透过与其他星系并合等方式，继续增加其恒星质量。

本次成果为检验黑洞与星系跨越宇宙历史的成长时间轴提供了罕见的观测基准，也证明借助詹姆斯・韦伯太空望远镜与引力透镜效应，天文学家已具备研究过去无法触及的遥远休眠黑洞的能力。顾梦表示，能如此细致地研究100亿年前的星系十分不易，正是引力透镜与詹姆斯・韦伯太空望远镜的强大观测能力，支撑团队完成了这项研究。