小星系大發現：在 Segue 1 星系發現黑洞

Segue 1 小而不起眼，是銀河系隔壁的矮星系，僅含少數恆星，少到無法提供防止自身外散到太空的重力。與其他矮星系一樣，咸認為暗物質重力是主要束縛力。

然而，德州大學奧斯汀分校和聖安東尼奧分校的新研究推翻假設，挑戰天文學家對矮星系的理解。Segue 1 中心有個巨大黑洞提供重力，而不是暗物質，使恆星被黑洞重力束縛在一起。

▲ Segue 1 矮星系。（Source：SIMBAD，DSS）

領導研究的 UTSA 研究生 Nathaniel Lujan 表示「我們的工作可能會徹底改變矮星系或星團建模，包括超大質量黑洞，而不只是暗物質」。

這項發現最近發表在《天體物理學期刊快報》，是德州大學奧斯汀分校和 UTSA 聯合舉行天文學課程的高潮。天體物理學家 Karl Gebhardt 和 Richard Anantua 共同授課，讓學生有機會使用先進建模和技巧研究重力對星系的影響。

「我們設計這門課程是為了促進兩所大學合作。」Gebhardt 說。「最初專案是建模 Segue 1 重力動力學。但有一項重大發現，目標明確且辛勤工作下這些學生證明了他們的才華。」

學生使用德州大學奧斯汀分校高級計算中心的超級計算機創建數十萬個複雜模型。每個人都根據黑洞存在、黑洞大小、暗物質多少和其他假設因素繪製 Segue 1 恆星的預測路徑，所有這些都是為了尋找與 WM Keck 天文臺觀測到的恆星真實運動相近而匹配的模型。

「Lujan 以出色工作倫理和學習新方法的熱情投入第一門天文學選修課，」Anantua 說。「將陡峭計算學習曲線與超大質量黑洞附近強重力的理論掌握結合，兩樣都不可或缺。」

學生首先辨識 Segue 1 重力影響下的恆星。Segue 1 距離銀河系僅 75,000 光年，是銀河系的近鄰。因此，引力更強大的銀河系積極將恆星吸入自己體系，稱之為「潮汐剝離」。被剝離的恆星將分佈於Segue 1，銀河系外緣由遷徙恆星主導。藉測量外圍恆星數量並減去中心區域，過濾出受銀河系影響的恆星。

接下來團隊繪製剩餘恆星的速度和方向。很快就發現，朝向中心的恆星以快速繞圈行進──是黑洞的明顯跡象。暗物質比例高的模型、或暗物質和黑洞並存的模型匹配度都很差。更令人興奮的是發現黑洞的巨大質量。據估計，黑洞質量是太陽 45 萬倍，更是 Segue 1 所有恆星質量總和 10 倍。因多數星系中心黑洞質量不會超過恆星質量總和。

「黑洞質量和宿主星系質量有很強關連性。Segue 1 黑洞比預估明顯大得多，」Gebhardt 解釋。「如果這種大質量比例在矮星系很常見，我們將不得不改寫系統演進方式。」

Segue 1 演化的可能解釋之一是，它曾是有更多恆星的更大星系。但銀河系可能已抓走大部分恆星，僅少數遺留。另一種可能性是，Segue 1 類似新發現的星系，稱為小紅點，這些星系似乎是在巨大黑洞和很少恆星下發展。這些早期星系位於宇宙最遙遠的地方而難以研究。有了 Segue 1，天文學家現在有了能近距離觀察小紅點演變過程的天體。

無論這個微小星系如何變化，Segue 1 都證明了是矮星系假設的有趣挑戰。這是又一例證，證明不起眼之處，仍有大驚奇。