國際團隊首度為早期宇宙休眠黑洞「秤重」 量得質量約為太陽60億倍

香港文匯報訊（記者 莫楠）由卡內基天文台博士Andrew Newman領導、香港大學香港天文與天體物理研究所附屬成員顧夢參與的國際研究團隊，近日首度在早期宇宙直接為一個休眠超大質量黑洞「秤重」，量得其質量約為太陽的60億倍。團隊依託詹姆斯韋伯太空望遠鏡的高靈敏度與解析力，配合強引力透鏡效應，以前景大質量星系團充當天然宇宙放大鏡，將MRG M0138星系影像放大約30倍，從而得以在更精細尺度量度星系中心附近恆星運動，直接推導黑洞質量。研究為追溯超大質量黑洞與宿主星系的共同演化提供關鍵實證，亦為理解星系形成與成長補上重要線索。

天文學界普遍認為，絕大多數大質量星系中心均潛藏超大質量黑洞。黑洞本身不可見，但可透過其引力對周邊恆星運動的影響顯現，這亦是2020年諾貝爾物理學獎得主Reinhard Genzel與Andrea Ghez研究銀河系中心黑洞的核心方法。對較近星系而言，天文學家可利用恆星整體運動作動力學分析估算黑洞質量，但方法一般只適用於約6.5億光年內的近鄰宇宙；當距離增至數十億光年，黑洞引力主導區域在天空中的角尺度極小，現有觀測往往難以分辨。

本次研究鎖定大質量星系MRG M0138。由於其光線需約100億年才抵達地球，研究團隊所見等同回望宇宙早期，當時宇宙年齡約為今日四分之一。團隊指出，該星系中心存在一個休眠超大質量黑洞，現時未大量吞噬周邊氣體，因而不會如類星體般發出耀眼光芒。研究人員改以恆星運動驗證其存在，星系中心附近恆星的速度分布顯示該處有極龐大且高度集中的質量，密度高得不可能由一般恆星團構成，最合理解釋是超大質量黑洞。

研究同時指出，若以星系中心核球的恆星總質量作比較，該黑洞相對宿主星系顯得偏大，其質量約為近鄰宇宙常見關係所預期的12倍，意味星系中心恆星量似乎不足以匹配如此巨大的黑洞。但若改以恆星速度分布作衡量，該黑洞質量又顯得相當正常。團隊據此提出線索，黑洞及星系核心區的動力學狀態或已在早期迅速成熟，但整個星系的恆星質量仍未完全追上，顯示中央引擎可能先行成形，外圍結構其後才透過星系併合等過程持續增重，為天文學長期關注的超大質量黑洞與星系是否同步成長，提供新證據。

現任清華大學天文系助理教授的顧夢表示，能把一個100億年前的星系研究至如此細緻，關鍵在於強引力透鏡提供天然放大，再配合JWST的觀測能力，才得以利用珍貴數據完成分析。她形容最令人振奮之處，在於直接測量黑洞的方法得以延伸到宇宙早期，為理解黑洞與星系如何在早期快速成形打開新窗口。