香港大學香港天文與天體物理研究所（HKIAA）成員參與了一支國際天文學團隊，首次對距離地球 100 億光年、早期宇宙中的一個休眠中、不產生電磁信號的超大質量黑洞進行了直接的質量測定，從而揭示超大質量黑洞與其宿主星系如何共同演化。研究成果已發表於《科學》。

論文：

• https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5816

研究背景

科學家認為，絕大多數大質量星系的中心都有一個超大質量黑洞。黑洞吸積物質時會產生電磁信號，可以據此探測其距離和質量等信息。此外，其存在也可透過其附近恆星運動的引力影響而顯現出來。2020 年諾貝爾物理學獎得主 Reinhard GENZEL 與 Andrea GHEZ 正是透過長達三十年的恆星動力學觀測，精確測量了銀河系中心黑洞的質量。

然而，這類測量一般只適用於距離地球約 6.5 億光年以內的星系。將這種恆星動力學測量方法推進到數十億光年外極為困難，因為黑洞引力主導的中心區域在天空中的角尺度非常小，現有觀測技術通常難以分辨。

研究成果

港大香港天文與天體物理研究所（HKIAA）附屬成員、現清華大學助理教授、於研究進行期間為港大物理學系助理教授的顧夢博士，作為第二作者參加了卡內基天文台 Andrew NEWMAN 博士領導的國際團隊。他們借助於詹姆斯．韋布太空望遠鏡觀測了約 100 億光年外的大質量星系 MRG-M0138，該星系處於宇宙早期，宇宙年齡僅為今天的約四分之一。

本研究的特別之處是，團隊透過引力透鏡的疊加效果來觀測目標星系的恆星運動。引力透鏡效應中，前景大質量星系團所造成的空間曲率就像鏡片一樣將 MRG-M0138 的光放大了約 30 倍，團隊得以更清楚觀測和研究該星系中心附近恆星的運動。恆星運動顯示該處存在一個極為龐大而高度集中的質量，最合理的解釋是一個超大質量黑洞。團隊發現，這個黑洞處於非活躍狀態，目前並沒有大量吞噬周圍氣體，因此不會像類星體般發出耀眼光芒。此外亦測定它具有 60 億倍太陽質量。

MRG-M0138 恆星運動學觀測結果與動力學模型的比較：只有在模型中加入一個質量約為太陽 60 億倍的黑洞，才能重現星系中心恆星運動所呈現的顯著峰值（來源：論文）

這是令人意外的結果。若以星系中心核球（星系中心緻密區域內恆星）的質量來看，這個黑洞相對於其宿主星系，似乎過於巨大，約為近鄰宇宙預期值的 12 倍。按今天近鄰宇宙的常見比例來看，MRG-M0138 的中心恆星質量似乎不足以匹配如此巨大的黑洞。

從黑洞質量與星系內恆星運動速度分布的關係來看，MRG-M0138 與近鄰星系相似，然而該黑洞的質量與星系核球相比則顯得異常「過重」，約為近鄰宇宙中同類星系預期值的 12 倍（來源：論文）

該黑洞相對核球的質量偏大，但恆星速度分布又大致正常。綜合這兩項結果，天文學家得到了一條重要線索：黑洞以及星系中心的恆星運動狀態似乎已經成熟，但整個星系的恆星質量仍未完全跟上。換言之，星系中央的引擎已率先成形了，而周圍的星系結構仍在繼續發展中。這有助回答一個天文學重要問題：超大質量黑洞與星系究竟如何成長，是同步成長抑或其中一方較早成熟。這項發現顯示，至少在某些星系中，黑洞及其星系中央核心可能在早期宇宙中迅速成長，而宿主星系則可能在其後繼續增加恆星質量，例如透過併合其他星系等。

本研究亦為檢驗黑洞與星系跨越宇宙歷史的成長時間軸，提供了一個罕有的基準。顧夢博士說：「把一個 100 億年前的星系研究得如此細緻是很不錯的事情。強引力透鏡像一個天然的放大鏡一樣，再加上詹姆斯．韋布望遠鏡的強大觀測能力，我們才能把這個直接測量黑洞的方法，一路推前到宇宙如此早期的階段。」

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