香港新闻网7月5日电　一个由国际天文学家组成的研究团队，包括香港大学（港大）香港天文与天体物理研究所（Hong Kong Institute for Astronomy and Astrophysics, HKIAA）附属成员顾梦教授，首次直接测量出早期宇宙中一个休眠超大质量黑洞的质量。这项研究成果有助揭示超大质量黑洞与其宿主星系如何共同演化，为了解星系形成和演变提供重要线索。

该研究近日发表于《科学》，由卡内基天文台的 Andrew NEWMAN博士领导。顾教授为论文第二作者；研究进行期间，顾教授任职于港大物理学系，现为 HKIAA 附属成员。

位于星系中心的黑洞

天文学界普遍认为，绝大多数大质量星系的中心都藏有一个超大质量黑洞。虽然黑洞本身无法被直接观测，但其存在可透过它附近恒星运动的引力影响显现出来。这正是天文学家Reinhard GENZEL 与 Andrea GHEZ研究银河系中心超大质量黑洞背后的原理。他们透过长达三十年的恒星动力学观测，精确测量银河系中心黑洞的质量，并因此共同获得 2020 年诺贝尔物理学奖。

在较接近地球的星系中，天文学家亦借助分析恒星的整体运动，推算其中心黑洞的质量。然而，这类测量一般只适用于距离地球约6.5亿光年以内的星系。将这种方法应用于更遥远的星系极为困难，因为黑洞引力影响的范围非常细小；当距离达数十亿光年之外，现有观测技术几乎无法分辨。

在这项研究中，研究团队观测了 MRG-M0138——一个大质量星系。由于其光线经过约 100 亿年才抵达地球，因此天文学家看到的是它在早期宇宙中的样貌；当时宇宙年龄仅为今天的约四分之一。团队在其中心发现了一个休眠超大质量黑洞，质量约为太阳的60 亿倍。

这个黑洞处于非活跃状态，意味着它目前并没有大量吞噬周围气体，因此不会像类星体般发出耀眼光芒。研究团队透过其引力效应确认它的存在：星系中心附近恒星的运动显示，该处存在一个极为庞大而高度集中的质量。由于其密度过与密集，不可能由一般恒星团构成，最合理的解释是一个超大质量黑洞。

团队如何为黑洞“秤重”

这项研究得以实现，主要有赖詹姆斯·韦伯太空望远镜，以及引力透镜效应的结合——一个位于前景的大质量星系团，扮演了天然的“宇宙放大镜”，将MRG-M0138 的光放大约 30 倍，让研究团队得以更清楚地观测和研究星系中心附近恒星的运动。

结果令人相当意外——若以星系中心核球的质量来看，这个黑洞相对于其宿主星系似乎过于巨大；但若从其他角度比较，情况则未必完全一样。

相对于星系的核球质量，这个黑洞的质量约为近邻宇宙中所预期值的12倍。核球质量指的是星系中心致密区域内恒星的总质量。简单来说，若按今天宇宙中常见的比例来看，MRG-M0138 的中心恒星质量似乎不足以匹配如此巨大的黑洞。

然而，若以星系恒星运动速度的分布比较，这个黑洞的质量显得相当“正常”。简单来说，恒星在星系中心附近移动得有多快、速度差异有多大，可反映该区域的引力有多强。

综合这两项发现，天文学家得到了一条重要线索：黑洞以及星系中心的恒星运动状态似乎已经成熟，但整个星系的恒星质量仍未完全跟上。换言之，星系中央的引擎已率先成形，而周围的星系结构仍在继续发展。

重新思考黑洞与星系如何成长

这项研究有助回答天文学中的一个重要问题：超大质量黑洞与星系究竟是同步成长，还是其中一方可以较早成熟？这项发现显示，至少在某些大质量星系中，黑洞及其星系中央核心可能在早期宇宙中迅速成长；而宿主星系则可能在其后，透过与其他星系并合等方式，继续增加其恒星质量。

通过直接为一个来自早期宇宙的休眠黑洞“秤重”，研究团队为检验黑洞与星系跨越宇宙历史的成长时间轴，提供了一个罕有的基准。这项发现也显示，借助JWST与引力透镜，天文学家如今已能研究过去无法触及的遥远休眠黑洞。

“能够把一个 100 亿年前的星系研究得如此细致是很不错的事情。强引力透镜像一个天然的放大镜一样，再加上 JWST 的强大的观测能力，我们才能利用这个珍贵的数据完成这项研究。”现任清华大学天文系助理教授顾梦说。“最让我兴奋的是，我们能把这个直接测量黑洞的方法，一路推前到宇宙如此早期的阶段。”（完）