超大質量黑洞可能潛伏在宇宙四處

美國加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）天文學家馬中珮（Chung-Pei Ma）等人在本地宇宙（local universe）中發現了一個高達170億倍太陽質量的超大質量黑洞（supermassive black hole） ，這是宇宙中已知最大的超大質量黑洞之一。而這項發現也顯示：或許超大質量黑洞比先前認為的還要普遍。

到目前為至，那些質量超過100億倍太陽質量的最大型超大質量黑洞都是位在一群大型星系密集區中的一個非常大的星系核心。其中的冠軍是2011年由加大柏克萊分校研究團隊在后髮座星系團（Coma Cluster）中發現的，達210億倍太陽質量之多，位在NGC 4889星系中心，已登錄在金氏世界紀錄里。

而馬中珮等人新發現的這個超大質量黑洞位在NGC 1600星系中，距離地球約2億光年。這項發現最有趣之處在於NGC 1600位在和后髮座星系團相反的波江座方向，通常被天文學家視為「宇宙沙漠」的地方。馬中珮領軍的大質量巡天計劃（Massive Survey）專門在本地宇宙里搜尋研究質量超過最大質量的星系，希望能藉此了解星系如何形成、超大質量黑洞如何長大等問題。在宇宙一個擁擠區域內的大質量星系發現龐大的超大質量黑洞是預期中之事，就像是在如曼哈頓這類大都會地區會看到摩天大樓一樣，然而要在像小城鎮一樣的地方找到摩天大樓卻相當不易。

像后髮座星系團這樣擁有很多星系的星系團或星系群相當罕見，但像NGC 1600其及衛星星系這樣規模的星系群倒是有幾個。所以現在的問題是：這是冰山一角嗎？

2011年時在NGC 4889星系中發現210億倍太陽質量的超大質量黑洞時，其實質量估計的誤差範圍很大，從30億倍到210億倍不等。而NGC 1600中心估計高達170億倍太陽質量的超大質量黑洞卻精確得多，其估計範圍是155億倍到185億倍太陽質量。

有趣的是，NGC 1600星系中心附近的恆星運動的模式看起來像是雙黑洞狀態。由於大型星系一般是經由較小的星系合并而成長茁壯，原來星系核心的超大質量黑洞在合并後仍會存在一段時間，所以在大型星系中心有雙黑洞是很常見的事。不過雙黑洞最終會落往合并後的星系中心，黑洞本身也會合并成一個更大的黑洞，並在最終合并過程中發射出大量重力波；目前正在計劃中的進化型雷射干涉太空天線（Evolved Laser Interferometer Space Antenna，eLISA）就是希望能偵測到大質量黑洞合并時發出的重力波。其他的可能就是偵測毫秒波霎可能有奈秒等級的訊號跳動現象。

尋找類星體殘骸

黑洞的特徵就是物質密度非常高，重力場非常強，連宇宙中速度最快的光都無法逃離黑洞的重力場。在氣體非常豐沛的宇宙早期，許多黑洞會因吞噬了大量氣體而長到極端龐大的程度，並發射出非常龐大的能量。觀察離地球愈遙遠之處的天體，相當於看到宇宙愈早期的狀況。而在遙遠宇宙中的超大質量黑洞，呈現出的模樣就是那些明亮的類星體（quasar）。然而當天文學家觀察離地球比較近的本地宇宙空間中的星系，它們含有的氣體比較稀少，基本上都轉換成了恆星，所以本地宇宙中沒有類星體。然而質量最大的那些鄰近星系中，很可能有已經掩兵熄鼓的類星體存在其中心。馬中珮認為：她的團隊於2011年於NGC 4889和NGC 3842星系中發現的超大質量黑洞可能就是已休眠的類星體。

由於NGC 1600是個老星系，所以該星系中已少有新恆星形成。馬中珮等人懷疑這個星系中心可能也有一個曾一度耀眼但如今已休眠了的類星體。如果為真，那麼這將是第一個在本地宇宙的稀疏地帶發現的類星體。

馬中珮表示：那些最亮的類星體可能就是質量最大的超大質量黑洞棲息之地，所以並非一定要位在宇宙中星口稠密的地帶。NGC 1600是第一個在本地宇宙的稠密區域以外之處，發現有質量超乎預期的超大質量黑洞的星系，也可能是第一個位在特區以外之處的極亮類星體後裔的範例。

根據利用雙子望遠鏡（Gemini Telescope）所做的NGC 1600核心光譜，中心超大質量黑洞影響力所能及的方圓3000光年影響圈（sphere of influence）範圍內，絕大部分恆星是以圓形軌道環繞黑洞公轉，僅有少數恆星的軌道會遠離黑洞或接近黑洞，彷彿這些軌道有徑向移動的恆星都是在接近黑洞時會被甩了出去一樣。通常只有在雙黑洞周遭最接近的那些恆星會發生這種狀況。

黑洞的影響圈是可見恆星的總質量與黑洞質量相當的區域，這個範圍比黑洞的事件視界（event horizon）大得多；而事件視界是物質一旦進入這個範圍內就會被黑洞吞噬的界線， NGC 1600星系中心超大質量黑洞的事件視界的半徑僅有冥王星軌道的8倍左右。

恆星因為不知名原因從超大質量星系的中心被「嚇跑」，可能是因為不敢進入中心區，也可能是因為進去後被踢出來。從NGC 1600星系中心附近的恆星軌道來看，後者的可能性比較大。這是NGC 1600中心雙黑洞可能是經由合并而來的證據。

雙黑洞和核心沖刷

雙黑洞將恆星甩出時，會折損雙黑洞的角動量，使得雙黑洞會愈來愈靠近彼此，最終合而為一。如果NGC 1600真的含有總質量高達170億倍太陽質量的雙黑洞，且兩者間的距離不足1光年，那目前正在進行的波霎計時陣列（pulsar timing arrays）就有機會能捕捉到重力波。

從NGC 1600獲得的訊息，顯示一個核心有雙黑洞的星系所擁有的關鍵特徵，就是恆星開始減少的區域，等於中心雙黑洞的影響圈範圍。靠近星系中心處缺乏恆星，能將大質量星系與一般標準橢圓星系區分開來，因為橢圓星系最亮的區域就是它的核心處。馬中珮等人將這個雙黑洞造成的的動力學現象，稱之為核心沖刷（core scouring）。這項特徵將可幫助馬中珮的研究團隊檢視並精簡大質量巡天計劃觀測資料，以便能更快的在地球鄰近之處找到超大質量黑洞。

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