台灣天文學家發現正在吞噬恆星的罕見黑洞

有的位於星系中心，質量可達數百萬到數十億倍太陽質量的超大質量黑洞；有的是不到太陽質量百倍，屬恆星等級小黑洞，然質量介於兩者之間的中等質量黑洞不僅形成原因成謎，偵測到它們也極度困難。不過近期台灣國立清華大學天文研究所參與的國際研究團隊，用 NASA 錢卓望遠鏡及哈伯望遠鏡成功發現正在捕食恆星的中等質量黑洞候選者。論文刊登於 4 月《天文物理學》（The Astrophysical Journal）期刊。

最新發現的疑似中等質量黑洞（IMBH）位於編號NGC6099星系邊緣，發出X射線源稱為NGC6099 HLX-1。NGC6099 HLX-1距離宿主星系中心約4萬光年，NGC6099位於武仙座，距離地球約4.5億光年。天文學家2009年首度利用錢卓X射線望遠鏡發現它，之後用歐洲太空總署（ESA）XMM─牛頓望遠鏡追蹤。

▲ 哈伯太空望遠鏡拍攝的一對星系：NGC 6099（左下）和NGC 6098（右上）。紫色斑點表示緻密星團發射的X射線。天文學家認為這些X射線是由中等質量黑洞撕裂恆星產生。

團隊估算NGC6099 HLX-1發出X射線能量高達300萬K，亮度2012年達高峰之後持續下降。團隊也用哈伯太空望遠鏡的可見光影像分析，發現X射線源周圍有一小團恆星，懷疑X射線來源是恆星被這個疑似中等質量黑洞吞噬中，發生潮汐瓦解事件放出的能量。共同作者、義大利國家天體物理研究所（INAF）羅伯托·索里亞（Roberto Soria）表示，還不知道中等質量黑洞需要多長時間才能吞掉恆星氣體，接下來要觀察它會否多次亮度爆發。

目前學界對星系中心的超大質量黑洞形成有兩種解釋。一種理論認為超大質量黑洞是由中等質量黑洞合併形成，就像大星系吞噬較小星系成長。另一種理論認為早期宇宙氣體雲不會先形成恆星，而是直接坍縮成超大質量黑洞。NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現，非常遙遠的黑洞質量相對宿主星系異常巨大。雖然看似傾向支持後者的論點，但也不排除是因小黑洞難偵測造成的偏差。

這次NGC6099星系周圍星系暈發現的疑似中等質量黑洞，代表星系可能有「衛星中等質量黑洞」圍繞星系中心運行。第一作者、清華大學天文研究所博士生張怡琪受訪時表示：「如此極端光度的X射線源在星系核外非常罕見，未來可當作辨識難捉摸的中等質量黑洞關鍵，代表恆星質量黑洞和超大質量黑洞演化過程缺失的關鍵。」換句話說，如果可以發現更多因恆星潮汐瓦解事件突然變明亮的自由黑洞，天文學家就可用統計知道宇宙有多少個中等質量黑洞，並藉瓦解恆星的頻率，理解大星系如何合併較小星系成長。

對天文學家來說，目前挑戰在錢卓和XMM─牛頓望遠鏡的視野太小，難在第一時間發覺新X射線源。幸好這類事件通常也會伴隨可見光的亮度爆發，天文學家期待今年開光的薇拉·魯賓天文台可頻繁巡天以發現這類事件，揭開黑洞成長的祕密。