臺北市立天文科學教育館

有的黑洞是位於星系中心，質量可達數百萬到數十億倍太陽質量的超大質量黑洞；有的黑洞則是不到太陽質量的100倍，屬於恆星等級的小黑洞。然而，質量介於兩者之間的中等質量黑洞不僅形成原因成謎，要偵測到它們也是極度困難。不過，近期由臺灣國立清華大學天文研究所參與的國際研究團隊，利用NASA的錢卓望遠鏡及哈伯望遠鏡成功發現一個正在捕食恆星的中等質量黑洞候選者。相關研究成果發表於今年4月的《天文物理學》(The Astrophysical Journal)期刊。

這個最新發現的疑似中等質量黑洞（IMBH）位於編號NGC6099星系的邊緣，其發出的X射線源因此稱為NGC6099 HLX-1。NGC6099 HLX-1距離其宿主星系中心約4萬光年，而NGC6099位於武仙座，距離地球約4.5億光年。天文學家們是在2009年首度利用錢卓X射線望遠鏡發現它的存在，隨即利用歐洲太空總署(ESA)的XMM-牛頓望遠鏡進行追蹤。

哈伯太空望遠鏡拍攝的一對星系：NGC 6099（左下）和NGC 6098（右上）。紫色斑點表示緻密星團發射的X射線。天文學家認為這些X射線是由中等質量黑洞撕裂恆星產生的。

研究團隊估算NGC6099 HLX-1發出的X射線能量高達300萬K，其亮度在2012年達到高峰之後便持續下降。團隊也利用哈伯太空望遠鏡的可見光影像分析，發現在X射線源的周圍有一小團恆星，懷疑X射線的來源是恆星在被這個疑似中等質量黑洞吞噬過程中，發生潮汐瓦解事件而放出的能量。研究的共同作者、義大利國家天體物理研究所 (INAF) 的羅伯托·索里亞 (Roberto Soria) 表示，目前還不知道一個中等質量黑洞需要多長時間才能吞噬掉恆星的氣體，接下來要觀察它是否會多次亮度爆發。

目前學界對於星系中心的超大質量黑洞形成有兩種解釋。一種理論認為超大質量黑洞是由中等質量黑洞合併形成，就像大星系透過吞噬較小的星系而成長。另一種理論則認為早期宇宙中的氣體雲不會先形成恆星，而是直接坍縮成超大質量黑洞。NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現，非常遙遠的黑洞的質量相對於其宿主星系而言異常巨大。雖然看似傾向於支持後者的論點，但也不排除是因為小黑洞難以偵測而造成的偏差。

這次在NGC6099星系周圍星系暈中發現的疑似中等質量黑洞，代表星系可能存在「衛星中等質量黑洞」圍繞著星系中心運行。該研究的第一作者、清華大學天文研究所博士生張怡琪受訪時表示：「如此極端光度的X射線源在星系核外非常罕見，未來可以作為識別難以捉摸的中等質量黑洞的關鍵。它們代表了恆星質量黑洞和超大質量黑洞演化過程中缺失的關鍵環節。」換句話說，如果可以發現更多因為恆星的潮汐瓦解事件而突然變得明亮的自由黑洞，天文學家就可以透過統計知道宇宙中有多少個中等質量黑洞。並藉由它們瓦解恆星的頻率，來理解大星系是如何透過合併較小的星系而成長。

對於天文學家來說，目前的挑戰在於錢卓和XMM-牛頓望遠鏡的視野太小，難以在第一時間發覺新的X射線源。幸好這類事件通常也會伴隨可見光的亮度爆發，天文學家期待今年開光的薇拉·魯賓天文台可以透過頻繁巡天來發現這類事件，藉此揭開黑洞成長的秘密。（編譯／王彥翔）