其實小型星系中心多沒有超大黑洞？NASA 新研究反轉現有黑洞理論

天文學家利用錢卓拉 X 射線天文台（Chandra X-ray Observatory）逾 20 年數據，研究超過 1,600 個星系，質量從超過銀河系十倍的巨型星系，到僅銀河系百分之幾的矮星系皆涵蓋，報告稱只有約 30% 矮星系可能含超大質量黑洞。研究員表示準確統計這些小型星系黑洞數量至關重要，不只是數據統計，也揭示超大質量黑洞的誕生機制，為新世代望遠鏡探測矮星系黑洞訊號的成功率提供關鍵線索。

當物質落入黑洞，會因摩擦升溫產生X射線，許多大質量星系中心都有明亮X射線源，正是中心有超大質量黑洞的明顯特徵。團隊推斷，超過90%大質量星系，包括質量與銀河系相當的星系，都藏著超大質量黑洞。然研究中小型星系通常缺乏明確黑洞訊號，質量低於30億個太陽（約大麥哲倫星系）的星系，中心通常沒有明亮X射線源。研究員提出兩種可能解釋，一是質量較低星系有巨型黑洞的比例遠低於大質量星系；二是物質墜入黑洞時X射線強度太微弱，以致錢卓拉望遠鏡無法偵測到。

▲ NGC 6278與PGC 039620是從1,600個星系樣本篩選出兩個，探測超大質量黑洞存在性。影像結果顯示，小型星系有超大質量黑洞的機率遠低於大型星系。多數如圖所示PGC 03620這類小型星系（同時呈現錢卓拉X射線影像與史隆數位巡天光學影像），中心極可能沒有超大質量黑洞。與銀河系規模相近的NGC 6278及樣本多數大型星系，核心皆顯示有巨型黑洞的證據。（Source：X射線：NASA / CXC / SAO / F. Zou et al.；光學：SDSS；影像處理：NASA / CXC / SAO / N. Wolk）

根據錢卓拉數據分析，小型星系黑洞數量確實少於大型星系。為得出此結論，團隊考量大型錢卓拉樣本小型星系缺乏X射線源有兩種可能性。落入黑洞氣體量決定X射線波段亮度，較小黑洞預估會吸入較少氣體，因此X射線波段亮度應該更低，甚至無法偵測，研究員證實這項預測。然而，他們發現低質量星系X射線源的缺乏程度，遠超過因X射線變暗該有的下降量。如果許多低質量星系根本沒有中心黑洞，就可以解釋這種額外缺失。團隊結論是，較低質量星系X射線探測量下降，反映這些星系黑洞數量真實減少的事實。

這項發現可能對理解超大質量黑洞形成機制有重要意義，目前有兩種觀點，第一種認為巨型氣體雲直接坍縮形成黑洞，初始質量可達數千個太陽；另一種主張超大質量黑洞源自更小黑洞，後者由大質量恆星坍縮形成。研究員指出大型黑洞形成較罕見，因這種現象主要發生在形成中大質量星系，這解釋了為什麼較小星系找不到黑洞。這項研究支持巨型黑洞誕生初質量就已是太陽質量數千倍的理論，研究員表示如果另一個觀點成立，那小型星系的黑洞比例應與大型星系相當。

這項發現亦可能對矮星系碰撞引發的黑洞合併速率產生重大影響，若黑洞數量大幅減少，代表未來雷射干涉太空天線（Laser Interferometer Space Antenna）能偵測到的重力波源也會減少，同時矮星系撕裂恆星的黑洞數量也會減少。論文將發表於《The Astrophysical Journal》，10月6日發表於arXiv預印本。