「小鎮上的摩天大樓」台灣旅美女科學家發現特異超大質量黑洞

2016-04-07 13:27

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旅美台裔天文物理學家馬中珮發現的巨大黑洞(NASA)

旅美台裔天文物理學家馬中珮發現的巨大黑洞(NASA)

旅美台裔天文物理學家馬中珮領導的團隊,在距離地球2億光年的波江座(Eridanus)NGC 1600星系中心發現一個非常罕見的黑洞,不但質量相當於170億個太陽,而且位於一個不太可能出現超大質量黑洞(supermassive black hole)的區域,研究人員形容為「小鎮上的摩天大樓」。

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這項觀測發現挑戰了天文學的傳統認知:超大質量黑洞往往出現在星系簇擁群聚的區域。未來天文學界將更加關注宇宙中星系較稀疏的區域,看看是否也能發現超大質量黑洞。相關論文發表在最新一期的英國權威科學期刊《自然》(Nature)

旅美台裔天文物理學家馬中珮(加州大學柏克萊分校)
旅美台裔天文物理學家馬中珮(加州大學柏克萊分校)

馬中珮(Chung-Pei Ma)1966年生於台灣,是新聞界耆宿馬驥伸與黃肇珩的女兒。馬驥伸曾擔任文化大學新聞暨傳播學院院長。黃肇珩曾擔任中華日報社長、正中書局總經理、監察委員。馬中珮就讀北一女,但高三那年遠赴美國,進入麻省理工學院(MIT),專攻物理宇宙學(Physical cosmology)與粒子物理,1993年取得物理學博士學位。

旅美台裔天文物理學家馬中珮(取自網路)
旅美台裔天文物理學家馬中珮(取自網路)

特別的是,馬中珮也是一位音樂家,念北一女時曾獲全台灣小提琴競賽冠軍。進入麻省理工學院物理學系深造時,也同時在波士頓新英格蘭音樂院(NEC)修習小提琴課程,還曾經登台演出。馬中珮目前任教於加州大學柏克萊分校(University of California, Berkeley)。

旅美台裔天文物理學家馬中珮(加州大學柏克萊分校)
旅美台裔天文物理學家馬中珮(加州大學柏克萊分校)

對於自己的新研究成果,馬中珮受訪時表示,如果把黑洞比喻成是一座摩天大樓,依據過去天文學界的經驗,超大質量黑洞應住在繁華的「大城市」,像是台北或紐約,它所屬的星系附近應該有很多鄰居星系;但這次發現的NGC 1600超大質量黑洞,卻如同住在一個人煙稀少的偏遠小鎮。

過去天文學家發現的最大質量黑洞,是一個相當於210億個太陽(我們銀河中心的黑洞只相當於400萬個太陽),位於后髮座星系團(Coma Cluster),當地「星口稠密」,天文學家已經觀測到1000多個星系。

后髮座星系團(Coma Cluster)(取自網路)
后髮座星系團(Coma Cluster)(取自網路)

馬中珮認為,宇宙中應該還有不少像NGC 1600這樣看似平凡、卻暗藏巨大黑洞的星系,讓天文學家的目光從「大城市」轉移到「小鄉鎮」。馬中珮領軍的「MASSIVE Survey」巡天計劃與多座天文台合作,從2014年開始探尋鄰近的巨型星系與黑洞。

NGC 1600黑洞最先是由參與計劃的德州麥克唐納天文台(McDonald Observatory)發現。剛開始,光譜觀測資料還不太夠,但馬中珮的團隊已經察覺它的特異之處,她說:「當時就像從非常遙遠的地方觀察一個颶風,我們無法確定這個颶風──黑洞──的規模,但是已經可以感受到它的威力。」

NGC 1600星系(取自網路)
NGC 1600星系(取自網路)

馬中珮團隊懷疑自己發現了超大質量黑洞,於是利用雙子星天文台(Gemini Observatory)的夏威夷站,也求助於美國航太總署(NASA)的哈伯太空望遠鏡(HST),繼續探查這個橢圓星系,確認這個黑洞的「影響範圍」(sphere of influence),馬中珮說:「我們發現這個地帶的恆星高速運動,從速度來看,唯一可能的原因就是:星系中心有一個質量相當於170億個太陽的黑洞。」

后髮座星系團有眾多輝煌星系雲集,相較之下,NGC 1600卻是一枝獨秀,亮度至少是鄰近星系的3倍,其黑洞佔去整個星系質量的2%,是天文學家先前估計的10倍。

小型黑洞多半來自大型恆星的重力塌縮;巨型黑洞則多半來自兩個星系相撞擊時,其小型黑洞也相撞並結合。我們所在的銀河(Milky Way)仙女座(Andromeda)兩大星系未來也會相撞、結合為一個更大的星系,而兩者的黑洞也將結合為一個巨型黑洞。

至於NGC 1600及其超大質量黑洞的形成過程,馬中珮認為NGC 1600可能曾經「吃掉」不少鄰近星系,連帶接收對方的黑洞。也正因如此,NGC 1600所在區域才顯得「地廣星稀」。

哈佛大學(Harvard University)天文學系主任羅布(Avi Loeb)表示,馬中珮團隊的新研究令人振奮,希望未來能夠發現更多類似的黑洞,「根本的問題是,什麼樣的環境條件有助於超大質量黑洞形成?我們期盼未來透過類似的研究,回答這個問題。」

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