歐洲太空總署Gaia任務團隊宣布在銀河系內發現了一顆新迄今最大的恆星級質量黑洞，其質量高達太陽的33倍。這項發現對大質量恆星演化末期的理論及研究有重要的意義。
當大質量恆星演化到生命盡頭時，由於自身重力坍縮，引發一場超新星爆炸。在爆炸之後，剩下的是恆星的超高密度核心殘骸。根據恆星的質量，這高密度核心殘骸可能是一顆中子星，密度高到一茶匙的大小重約一兆公斤；或者是一個黑洞，一個重力場大到連光都無法逃離的物體。目前銀河系內所發現由上述恆星演化到盡頭後生成的「恆星級質量黑洞」（註：銀河系中心的超大質量黑洞「人馬座 A*」為四百萬倍太陽質量，其不屬於恆星級黑洞的範疇。）平均質量為10倍太陽質量。在這次新發現的33倍太陽質量黑洞之前，紀錄保持者（天鵝座X-1）為21倍太陽質量。這次發現的黑洞為「Gaia BH3」，距離地球約2,000光年。它是在分析Gaia任務資料時偶然發現的。Gaia任務是由歐洲太空總署執行的一項太空望遠鏡任務，旨在創建一幅地球附近極其精確的三維地圖。Gaia測量了超過十億顆恆星的距離，並對它們的運動、亮度、溫度和組成進行測量。沒有人預料到會藉由Gaia任務資料發現一個如此高質量的恆星級黑洞。Gaia BH3是一顆「沈默的黑洞」，目前並不活躍也不發光，發現的原因是它對繞其運行的伴星施加了奇怪的「擺動」，Gaia便是藉由觀測其伴星的運動而發現了黑洞。
Gaia BH3及其伴星示意圖，藍色線條為伴星的「擺動」軌徑。Credit: ESO/L. Calçada
Gaia BH3的質量為33倍太陽質量，是迄今銀河系內發現最大質量的恆星級黑洞。其特別的地方在於它提供了我們對於大質量恆星演化末期的一個新的觀測資訊。恆星質量上限約為150倍太陽質量，在大質量恆星演化末期，核心的氫元素燃燒殆盡後會急速膨脹成為超紅巨星，超紅巨星會以強烈的恆星風將質量拋射出去，流失大量的質量，因此恆星死亡後留下的核心形成的黑洞也就不會太大。以33倍太陽質量黑洞而言，讓天文學家好奇：是什麼機制讓恆星不會拋射這麼多質量，從而能夠產生這麼大質量的黑洞呢？目前其中一個理論是與恆星的金屬豐度有關。天文學家認為含有重元素的塵埃顆粒應該比較容易從超紅巨星相對低溫的外層氣體中凝結出來，因此超紅巨星可以有效的拋出這些塵埃顆粒進而流失質量。另一方面，根據中研院天文所陳科榮博士團隊的最新研究，大質量恆星若要順利演化成紅超巨星，其金屬豐度需大於臨界值0.1倍太陽金屬豐度；反之，若金屬豐度小於臨界金屬豐度，則無法膨脹成紅超巨星，質量流失效果就會非常有限。而這次觀測的結果顯示，Gaia BH3的伴星確實是個金屬豐度很低的恆星，假設Gaia BH3的前身，恆星的金屬豐度與其伴星相當，那麼就支持了金屬豐度低的大質量恆星能產生大質量黑洞的觀點。
這幅藝術家的想像圖將我們銀河系中的三個恆星級黑洞進行了並排比較：Gaia BH1、天鵝X-1和Gaia BH3，它們的質量分別是太陽的10、21、和33倍。Gaia BH1為Gaia任務發現的第一顆黑洞。Gaia BH3為Gaia任務發現的第三顆黑洞，也是迄今為止在銀河中發現質量最大的恆星級黑洞。Credit: ESO/M. Kornmesser
資料來源：ESO Press Release
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。
