在早期宇宙中檢測到垂死星系內的超大質量黑洞

由日本國立天文台領導的一組國際研究小組，透過分析多個波段的星系樣本，發現超大質量黑洞通常存在於一百多億年前已完成恆星形成的星系中心，研究顯示遙遠宇宙星系中的黑洞與恆星形成活動的結束間存在著密切的關係。星系是恆星的集合體，了解恆星是如何在星系中誕生，將有助於我們對星系的演化更加了解，而想解開這個謎團的關鍵之一在於遙遠的宇宙。

銀河系中有著各種不同年齡的恆星，包含許多仍在形成的恆星。但在橢圓星系裡，不僅所有的恆星年老，且年齡大致相同。這表示橢圓星系在早期歷史曾有一段多產的恆星形成時期，但卻突然結束。為什麼恆星的形成在某些星系中停止，而在其它星系中卻沒有，原因尚不清楚。但其中一種可能性是超大質量黑洞擾亂了星系中的氣體，而創造了一個不適合恆星形成的環境。為了驗證此一理論，天文學家觀測遠在一百億光年外的天體發出的光，這些光必須經過一百億年的旅程才能到達地球。因此，我們今天看到的光顯示一百億年前光離開該星系時的樣子，就如同回顧過去一樣。但這中間的距離會使得遙遠的星系看起來更暗，使到研究變得困難。

為了克服這些困難，研究團隊使用宇宙演化巡天星表分析來自九億五千萬至一百二十五億光年外的星系，檢測來自早期宇宙中垂死星系的活躍超大質量黑洞的訊號。宇宙演化巡天星表是一個大型的國際資料庫，結合了包含無線電波、紅外光、可見光和X射線等領先全球的望遠鏡資料，例如：阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，縮寫ALMA）射電望遠鏡和昴星團望遠鏡（Subaru Telescope）。

研究人員先使用光學和紅外資料來識別兩組星系，分別是正在形成恆星的星系，和已停止恆星形成的星系。由於X射線和無線電波資料的訊噪比太弱，無法識別單個星系，因此將不同星系的資料結合起來，以產生「平均」星系的較更高訊噪比影像，並從其中確認了無恆星形成星系的X射線和無線電波影像。

這是第一次在距離超過一百億光年外的遙遠星系中檢測像這樣的電磁波輻射，分析得到的X射線和無線電波比預期的都還要強，無法僅用星系中的恆星來解釋，這表示存在一個活躍的超大質量黑洞。而對於正在形成恆星的星系，這種黑洞活動訊號則較弱。因此，研究小組得出結論，早期宇宙中恆星形成的結束其原因可能與超大質量黑洞活動的增加有關，未來還需要更多的研究來確定細節。

【圖：日本國立天文台；文：節錄自台北市立天文科學教育館網頁】 研究全文刊登在年月日出版的《天體物理學報》；標題是：COSMOS2020: Ubiquitous AGN Activity of Massive Quiescent Galaxies at 0 < z < 5 Revealed by X-Ray and Radio Stacking