大黑洞和宿主星系間，真的沒關係!?

(中央研究院天文及天文物理研究所研究發表，時間: 臺北時間2018年2月20日)

由中央研究院天文及天文物理研究所 (ASIAA) 鳥羽儀樹博士率領的團隊，以「阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列 (ALMA) 」觀測了一個星系中心顯示有強勁電離氣體外流（ionized gas outflow）的活躍星系，然而研究結果反令天文學家更困惑了。研究者清楚地偵測到與該星系盤相關的一氧化碳氣體，但也發現：位在星系中的一氧化碳氣體並不受到星系中心強電離氣體外流的影響。

關於星系與超大質量黑洞間的形成及演化理論，根據普遍流傳的版本，星系中心的超大質量黑洞所發出的輻射，應該會對分子氣體（例如一氧化碳）和恆星形成活動有顯著影響，但這次透過ALMA取得結果，顯示超大質量黑洞所驅動的外流電離氣體不一定影響其宿主星系，「這使得星系和超大質量黑洞的共演化更加令人困惑了，」鳥羽儀樹博士解釋，「因此，下一步我們準備取得更多這種星系的統計數字，這對全面性地了解星系和超大質量黑洞兩者間之形成演化將是關鍵。」

回答「在宇宙138億年的歷史中, 星系是如何形成和演化的？」是近代天文學者正全力以赴的一個問題。先前研究已經顯示，幾乎所有的巨型星系中心都有超大質量黑洞。近期的發現，更進一步指出黑洞質量與宿主星系的質量緊密相關。這一相關性表示超大質量黑洞和其宿主星系經歷著「共同演化」，在生長過程中緊密地交互作用，天文學稱之為「星系和超大質黑洞的共演化」。

最近，由星系中心超大質量黑洞所發出的外流氣體，因為在星系和黑洞共演化過程很可能扮演關鍵角色而成為注目焦點。一個目前已廣為接受的假說對這種外流氣體現象的描述是：位在星系中心的超大質量黑洞，因具有強輻射，電離 (註1) 了周圍氣體，甚至影響分子氣體──分子氣體是構成恆星形成之成分。此強輻射可能啟動 (註2) 或壓制 (註3) 星系的恆星形成。愛媛大學教授長尾透說：「然而，天文學家還不明瞭超大質量黑洞的活動與星系中恆星形成間真正的關係是什麼。因此，包括我們在內的許多天文學家都渴望能觀測到從星系核心發出的外流（outflow）和恆星形成活動之間如何進行交互作用的真實景像，進一步揭露『共進化』的奧秘。」

該團隊特別鎖定一個類型的天體，稱為「塵埃遮蔽星系」（dust-obscured galaxy，縮寫為DOG），特點是，儘管在可見光中非常暗淡，但卻發出非常明亮的紅外光。(圖 1)。

天文學家相信「塵埃遮蔽星系」核裡窩藏生長迅速的大質量黑洞 (註4)。在這類星系中，其中編號WISE1029+0501（以下簡稱為WISE1029）的星系尤其特別，因為該星系的超大質量黑洞的強輻射，已將其外流氣體電離。WISE1029星系也因其電離氣體外流的速度特別快而被當作是一極端案例，正是這項特殊因素，研究人員更想一探它的分子氣體又究竟會如何。

ALMA望遠鏡具有極高靈敏度，在研究星系分子氣體特徵和恆星形成活動等方面表現出色。藉由ALMA望遠鏡，鳥羽博士率團隊觀測了 WISE1029 的一氧化碳和冷塵埃(圖 2)。經過詳細分析研究，令人驚訝的是，他們發現，並沒有明顯的分子氣體外流的跡象。此外，恆星形成活動既不被啟動也不被壓制。由此可見，從WISE1029 星系中心的超大質量黑洞發出的強電離氣體，對無論是周圍的分子氣體或恆星形成活動，都沒有顯著影響。

為了解釋上述情況，研究人員提出了一種可能性，即：電離氣體外流的方向不同於分子氣體所存在的區域。當然，我們認為分子氣體是與星系盤相關的，因此，目前發現的結果也可以如此解釋──比方說，電離氣體外流的方向和分子氣體盤彼此互相垂直(圖 3)。

目前在許多案例中已經指出，受超大質量黑洞吸積效應驅動之外流電離氣體，對周圍分子氣體發生重大影響 (例如, 註2、註3)。然而，如同本次研究結果所呈現的，在電離氣體和分子氣體間並沒有緊密相互作用的情形，是個非常罕見的案例。該團隊的結果顯示，超大質量黑洞的輻射並不總是影響到宿主星系的分子氣體和恆星形成。雖然他們的結果使星系和超大質量黑洞的共演化更加令人費解，但鳥羽博士和他的團隊對此新發現仍感到興奮，因為這可以揭發事情的全貌。鳥羽博士說，「了解這種『共演化』對天文學是至關重要的。因此，我們將收集更多這類星系的資料並繼續使用ALMA跟進觀測，希望能揭露事實真相。」

論文及研究團隊

本觀測結果已發表在 Toba et al. “No sign of strong molecular gas outflow in an infrared-bright dust-obscured galaxy with strong ionized-gas outflow” in the Astrophysical Journal in December 2017.

研究團隊成員如下:

鳥羽儀樹 (中研院天文所)

Shinya Komugi (Kogakuin University)

Tohru Nagao (Ehime University)

Takuji Yamashita (Ehime University)

王為豪 (中研院天文所)

Masatoshi Imanishi (National Astronomical Observatory of Japan)

孫愛蕾 (原中研院天文所， 目前任職於 Johns Hopkins University)

This research was supported by the Japan Society for the Promotion of Science through Grants-in-Aid for Scientific Research (No. 15H02074, 16H01101, 16H03958) and by the Ministry of Science and Technology, Taiwan (MOST 105-2112-M-001-029-MY3).

ALMA 新聞稿連結： （to be added here）

Notes:

註1 ：指的是紫外線和 X 射線之輻射使中性氣體成電漿態的現象

註2：詳參 Black-Hole-Powered Jets Forge Fuel for Star Formation (ALMA 於2017年2月15日發布之新聞稿)

註3：詳參 Chaotic Turbulence Roiling 'Most Luminous Galaxy' in the Universe (ALMA 於2016年2月18日發布之新聞稿)

註4：詳參天聞網「發現成長中的塵埃遮蔽星系（Dust Obscured Galaxy）」一文，Discovering Dust-Obscured Active Galaxies as They Grow（Subaru 望遠鏡於2015年8月26日發布之新聞稿)