在兩個小星系中心發現超大質量黑洞，比銀河系中心的黑洞還要大

文：鄭娟娟

（本文首發於筆者的網易號「一心的未來世界」，轉載請註明作者和出處，謝謝合作。）

黑洞，黑洞，神秘的黑洞，有人說，黑洞可能是宇宙中最奇怪、最特別、可能最容易受誤解的天體。有的人猜想黑洞可能是連接其他宇宙的通道；有的人認為黑洞中可能存在很多蟲洞，是本宇宙內時空旅行的隧道……黑洞的神秘或許來自它本身難以觀測的本質，以及我們觀測它的特殊方法，還有它彷彿「只進不出」的性質。

圖片：黑洞的計算機模擬圖

人類從計算推導出黑洞的存在，到通過各種手段對黑洞進行觀測和研究，僅僅只有100年的時間。而今，依然有很多人只聽過「黑洞」的名字，並不知更多細節，因此，還是先做一些簡單介紹。

100多年前，在愛因斯坦提出他的廣義相對論之後，1915年，卡爾·史瓦西推導出了無自旋黑洞周圍彎曲時空的細節，他的成果被稱為「史瓦西度規」。1939年，羅伯特·奧本海默和他的學生哈特蘭·斯奈德利用廣義相對論發現，當大質量恆星耗盡核能、無法保持溫度時，其星體必然會內爆塌縮，如果塌縮是精確球對稱的，那麼恆星的塌縮必然會在它周圍產生一個黑洞，塌縮恆星將被黑洞中心的奇點吞噬。物質不再留存，只剩下一個由彎曲的時空構成的黑洞。（注意：黑洞是由彎曲的時間和彎曲的空間構成的。）其後幾十年，物理學家們發現，即使塌縮的大質量恆星是畸形的，並帶有自旋，但它依然可以產生一個黑洞。計算機數值模擬可以展示所有相關細節。

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1963年，羅伊·克爾推導出了自旋黑洞的「克爾度規」。20世紀70年代早期，史蒂芬·霍金和其他一些人推導出了有關黑洞的一系列定律。

現在，科學家們已經通過各種手段，例如觀察恆星運動軌跡、通過探測引力波、利用引力透鏡效應等方式，觀測到很多黑洞，其尺度從恆星質量黑洞到超大質量黑洞都包括在內，甚至也已觀測到中等質量黑洞的身影。黑洞最特別的地方，大概在於它的引力極其巨大，連光也無法逃離。

通常情況下，超大質量黑洞存在於大型星系的中心，不過，就在三年前（2014年），美國猶他大學的研究團隊觀測到一個超緊湊型矮星系（ultra-compact dwarf galaxy）中存在超大質量黑洞，這是當時已知的最小的擁有超大質量黑洞的星系。天文學家認為，這個小型的矮星系可能是在碰撞到其他的大型星系後，失去了原星系外層後的殘餘部分。

現在，同一支研究團隊又一次發現了類似的情況，並且是發現了2個擁有超大質量黑洞的超緊湊型矮星系。於是，天文學家推測，這種情況可能會使宇宙中已知的超大質量黑洞的數量翻倍。

圖片：天文學家發現的兩個超緊湊型矮星系，VUCD3（左）和M59cO（右），擁有超大質量黑洞。 研究結果表明，這些小型矮星系可能是原來較大星系的殘留部分，分別在與其他更大的星系M87和M59相撞後剝離了外層。 圖片來源：NASA /太空望遠鏡科學研究所

這兩個超大質量黑洞的質量在其宿主矮星系總質量中的佔比非常高，進一步支持了此前的理論，即這種超緊湊型矮星系原本是一個大型星系，在它遇到更大的星系時被其撕裂，失去了外層之後的殘留物。

猶他大學物理與天文學系博士研究生Chris Ahn介紹到：「我們仍然不知道隨著時間的推移星系是如何形成和演化的。這些矮星系可以告訴我們星系是如何合併和相撞的。」他們的此次研究成果周一發表於《The Astrophysical Journal（天體物理學雜誌）》上，Chris Ahn是論文的第一作者。

這次發現的兩個超緊湊型矮星系分別為VUCD3和M59cO，它們正繞著室女星系團中的大型星系運行。通過測量，研究人員發現，VUCD3中黑洞的質量相當於440萬個太陽質量，占星系總質量的13%；M59cO中黑洞的質量相當於580萬個太陽質量，占星系總質量的18%。相比之下，銀河系中心大型黑洞的質量約為410萬倍的太陽質量，占星系總質量的不到0.01％。

Ahn 感嘆到，「想像一下這件事情，真的太令人驚訝了，這個超緊湊型矮星系的大小只有銀河系的0.1％左右，然而，它所擁有的黑洞竟然比銀心的黑洞還要大。」

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為了測量兩個超緊湊型矮星系的質量，天文學家們使用了位於夏威夷莫納克亞山上的北雙子座望遠鏡（Gemini North telescope），測量了恆星的運行情況。他們運用了自適應光學技術（adaptive optics），來糾正由地球的大氣層造成的扭曲。此外，他們還分析了哈勃太空望遠鏡的圖像，來測量每一個星系中恆星的分布情況，並且創建了一個最符合觀測情況的計算機模擬。

研究者們發現，星系中心的恆星的運行速度比外圍恆星的運行速度要快得多，這是星系中心存在黑洞的一個典型特徵。

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關於超緊湊型矮星系，最早是在上個世紀90年代觀測到的。它們的平均直徑只有100光年，在這樣小的區域內濃密地聚集著數億顆恆星。科學家們通過測量發現，這些矮星系所具有的質量比其內所有恆星的質量之和要大得多。本文中提到的3年前的研究，以及本次的發現，都提出了強有力的案例，指向星系中心的超大質量黑洞可以對多出的質量負責。

「我們知道，一直以來星系之間就在不斷合併與融合，這是星系的演化方式。就在我們說話的時候，我們的銀河系正在吃掉其他星系。」猶他大學物理與天文學系助理教授Anil Seth說，「我們關於星系形成的概貌是小星系合併形成大星系，但是，這個概貌其實非常不完整，超緊湊型矮星係為我們提供了一個更長的時間軸，使我們能夠看到過去到底發生了什麼。」

本文提到的最新論文鏈接：

http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aa6972/meta;jsessionid=FE1887B616DDD10E1CE8513F35434821.c3.iopscience.cld.iop.org

本文亦參考了http://phys.org的相關新聞報道。