破解星系中心大黑洞的成長之謎
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2023年6月21日
近年來，隨著觀測技術的突破，人類已確認星系中普遍存在著超大質量黑洞。最近公開的黑洞影像更滿足了人們對黑洞的好奇心，同時進一步驗證了愛因斯坦廣義相對論的正確性。這些超大黑洞的質量範圍從數百萬到數十億太陽質量不等，更令人驚奇的是，有些超大黑洞在宇宙誕生後不到十億年就已存在。了解宇宙如何在如此短的時間內讓這些黑洞形成並聚積巨大質量一直是天文物理學上的重要課題。
由中研院天文所林祺紘研究助理、陳科榮助研究員，以及中央大學天文所的黃崇源教授組成的研究團隊，在超大質量黑洞的形成理論方面取得重大的新發現。這項研究結果將發表在最新一期的天文物理期刊上。團隊利用高解析度的星系碰撞模擬，探討超大質量黑洞的成長以及對宿主星系的影響。透過引入新的分子雲模型，他們發現黑洞的成長主要來自星系碰撞時的分子雲吸積。由於動力學的牽引作用，分子雲能比中性和游離氣體更有效率地掉落至星系中心，不僅促成大量恆星在星系中心形成，同時也為黑洞提供快速成長所需的養分。這使得原本僅數百萬太陽質量的黑洞能夠在數億年內增長至數十億太陽質量，成功解釋了星系與其黑洞性質的觀測結果。陳科榮研究員認為：「本次研究展示了超大質量黑洞快速成長的可能機制，並揭示分子雲在星系碰撞時的重要性。」本文第一作者林祺紘則表示：「我們的研究結果能提供人們對於星系演化有更深入的認識，期待將來有更多觀測資料來佐證我們的結論。」
雙鼠星系（NGC 4676）是一對著名的交互作用星系，它們目前正在經歷碰撞和合併的過程。其中，右側的長長尾巴是由於合併過程中的重力潮汐力所引起。當星系合併時，大量氣體會流入星系中心，這將促使許多恆星的形成與黑洞的成長。圖片來源：NASA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC/LO), M.Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), the ACS Science Team, and ESA
（左）Arp 148 是兩個星系碰撞後產生的特殊結構，在此系統中大量的物質掉落到星系中心，形成獨具一格的外型。圖片來源：NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration（右）模擬Arp 148 的形成，當兩個盤狀星系正面碰撞時，大量的分子雲會被吸積到星系中心，這些氣體能餵養中心的黑洞。同時，這也會促使星系中心區域的恆星形成大爆發。這項模擬結果與Arp 148觀測結果非常吻合。圖片來源：林祺紘/ASIAA
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本篇論文發表於2023年7月21日出版的天文物理期刊（Astrophysical Journal），篇名：Rapid Growth of Galactic Supermassive Black Holes through Accreting Giant Molecular Clouds during Major Mergers of their Host Galaxies
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中央研究院天文及天文物理研究所助研究員陳科榮，Email: kjchen@asiaa.sinica.edu.tw Tel: (02)2366-5457