精彩！天文學家在極遙遠宇宙中發現83個超大質量黑洞
由日本、台灣及美國組成的天文研究團隊，在距離地球大約130億光年的遙遠宇宙發現多達83個超大質量黑洞(圖1，圖4)。本研究首次澄清在超遠方宇宙也普遍存在超大質量黑洞，並為宇宙初期發生「宇宙再電離」的原因提供新洞見，是一項重要的成就。
超大質量黑洞的質量為太陽的100萬到100億倍，儘管在宇宙中普遍存在，但其誕生過程至今仍然是未解之謎。此外，尚有一些基本的問題有待解決，例如在接近大霹靂後的宇宙初期是否就已經普遍存在超大質量黑洞？其數量與密度為何？為了得到答案，世界各地的研究小組相互競爭，在遙遠宇宙中持續探索巨大質量黑洞。而找它的有效方法，就是尋找在黑洞吞噬周圍物質過程中，發出明亮光芒的「類星體(圖2)」。然而，在迄今為止的探查中，在遙遠宇宙中只發現了極少的類星體，並且僅限於目前宇宙中非常少見、最重量級的超大質量黑洞所產生的最明亮類星體。
研究團隊目前使用SUBARU望遠鏡，搭配最先進的超廣角相機“Hyper Suprime-Cam(HSC)”進行了300多個夜晚的大規模探查觀測。研究小組從捕捉到的大量天體中，篩選出可能的遙遠類星體。然後使用SUBARU、加那利及雙子星三個大口徑望遠鏡，對候選體進行密集的追蹤觀測。在獲得的光譜特徵(圖3)中，研究小組成功地發現了83個遙遠類星體。這些星體的亮度只有傳統已知類星體的百分之幾，這樣的弱光是第一次被捕捉，並首次揭示超遠方宇宙中也存在多個一般質量的超大質量黑洞。另一方面，從文獻中發現有17個可能天體在過去有光譜紀錄，可確認它們是超遠方類星體。由HSC的獨立觀測數據，再次探查到這些天體。每個邊長10億光年的立方體，約有一個超大質量黑洞，但在過去的探查中，受限於觀測靈敏度，僅能觀察到本次研究發現數量約20％的最明亮類星體。圖4為本次勘探中所發現的100個類星體圖像(83個新發現，17個重新發現)。
目前被發現的類星體都距離地球大約130億光年，也就是存在距今大約130億年前的宇宙中(見圖5)。從大爆炸到當時的宇宙，只經過了目前宇宙年齡(大約138億年)的約5%，令人驚訝的是，在如此早期的宇宙中竟然也普遍存在超大質量黑洞。此外，研究小組的發現中包括距離地球130.5億光年的類星體(圖1中的天體)。人類目前所知的巨大黑洞中，最遠與次遠的記錄都是由歐美國的研究小組所創造，分別距離地球131.1億光年與130.5億光年。這次由日本主導的勘探，與次遠的紀錄並列。
在那段時期，沒有恆星，沒有星系，整個宇宙被中性氫所充滿。這段整個宇宙的整體相變過程被稱之為再電離。這是宇宙歷史上一個極其重要的事件，但導致再電離的巨大能量究竟從何而來，至今仍是未解之謎。其中一個有力假說主張，早期宇宙中存在大量尚未被發現的類星體，其龐大的輻射能量導致了再電離。然而，經由本次探查，研究團隊首次精確地測量了個數密度，發現超遠方類星體的數目遠低於足以導致宇宙再電離的理論值，因此可以推翻類星體導致再電離的假說。或許是早期宇宙中陸續出現的大量星系，導致了宇宙再電離。
本次研究的成功，歸功於具備世界第一觀測能力的HSC相機。並且因為能夠密集使用SUBARU、加那利及雙子星望遠鏡三個大口徑望遠鏡，研究團隊才能擁有發現83個超遠方類星體的重大研究成果。特別是運用SUBARU望遠鏡，在3年內進行了30多個夜晚的追蹤觀測中，很幸運地都遇到萬里無雲的夜晚。研究團隊領導人松岡先生表示：「針對我們發現的多數類星體，今後必須仰賴世界各地的研究人員進行多方面的觀察，以釐清其詳細的性質。另外，透過比較個數密度和亮度分布的實際量測值與模擬預測值，應該可以對早期宇宙裡超大質量黑洞的形成與進化過程產生新的洞見。」研究團隊將根據這次的研究成果，對遙遠宇宙作進一步探查，希望可以釐清超大質量黑洞的誕生過程。
本研究是日本、台灣、美國普林斯頓大學研究人員進行的國際合作計畫。本研究團隊由愛媛大學的松岡良樹先生領導，東京大學的柏川伸成先生立案並執行主要追蹤觀測、與解讀觀測資料，另外也獲得普林斯頓大學的麥克史特勞斯先生、馬克斯普朗克天文學研究所的尾上匡房先生、巴塞隆納大學的岩澤一司先生以及台灣國立清華大學的後藤友嗣先生等人的協助。以及其他將近40位研究人員透過討論觀測結果等方式作出各種貢獻，使本研究得以成功。
本研究獲得日本學術振興會的科學研究費補助金(編號JP17H04830)、三菱財團研究助成金(編號30140)以及台灣科技部計畫(編號105-2112-M-007-003-MY3)的贊助。研究結果發表為五篇學術論文：
(1) “Discovery of the First Low-luminosity Quasar at z > 7”, Matsuoka et al., The Astrophysical Journal Letters, 872 (2019), 2
(2) “Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). V. Quasar Luminosity Function and Contribution to Cosmic Reionization at z = 6”, Matsuoka et al. 2018, The Astrophysical Journal, 869 (2018), 150
(3) “Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). IV. Discovery of 41 Quasars and Luminous Galaxies at 5.7 ≤ z ≤ 6.9”, Matsuoka et al., The Astrophysical Journal Supplement Series, 237 (2018), 5
(4) “Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). II. Discovery of 32 quasars and luminous galaxies at 5.7 < z ≤ 6.8”, Matsuoka et al., Publications of the Astronomical Society of Japan, 70 (2018), S35
(5) “Subaru High-z Exploration of Low-luminosity Quasars (SHELLQs). I. Discovery of 15 Quasars and Bright Galaxies at 5.7 < z < 6.9”, Matsuoka et al., The Astrophysical Journal, 828 (2016), 26
新聞連結
東京大學
https://www.s.u-tokyo.ac.jp/en/info/6297/
PRINCETON UNIVERSITY
https://www.princeton.edu/news/2019/03/13/astronomers-discover-83-supermassive-black-holes-early-universe
Tech Explorist
https://www.techexplorist.com/wonderful-83-supermassive-black-holes-found-in-the-early-universe/21602/?utm_source=rss&utm_medium=rss&utm_campaign=wonderful-83-supermassive-black-holes-found-in-the-early-universe
Geek
https://www.geek.com/news/astronomers-discover-83-supermassive-black-holes-in-the-early-universe-1778369/
清華大學 PDF
http://www.nthu.edu.tw/hotNews/content/902
圖1：研究小組新發現一個離地球130.5億光年的巨大黑洞(箭頭所指的紅色天體)。本圖像來自SUBARU望遠鏡的超廣角主焦點相機HSC的探索觀察。(圖片來源：國立天文台）
圖2：類星體的想像圖。在中心有一個重量(質量)是太陽的100萬到100億倍的巨大黑洞。這樣的黑洞普遍存在宇宙中多個星系的中心部。當巨大黑洞開始積極地吞噬周圍的物質時，它會發出超過整個宿主星系的明亮光線。(圖片來源：松岡良樹)
圖3：研究小組發現的超遠方類星體的光譜示例圖。以光譜儀將來自天體的光分解成不同波長的光線，以波長為橫軸，光的強度為縱軸，繪製出的圖稱之為光譜。通過分析光譜的形狀，可以辨別觀察到的天體是否為類星體，並可計算出地球到天體距離。在此例中，波長0.122微米的氫放射亮線受到宇宙膨脹的影響波長變長(紅移)，於是被觀測到的波長0.896微米的強光波峰。此現象中紅移值是6.37，轉算成與地球的距離，約為130億光年。(圖片來源：國立天文台)
圖4：研究小組發現的100個超遠方類星體顯示在各個方格的中心。上方7列裡有新發現的83個，下方2列裡有是再次發現的17個。因為位置非常遙遠，受到宇宙膨脹帶來的紅移和宇宙空間的光吸收效應影響，觀察到這樣的紅色。影像全部取自SUBARU望遠鏡的超廣角相機HSC的探索觀察。(圖片來源：國立天文台)
圖5：由於光的傳輸速度有限，觀察遠處可以看見過去的宇宙。研究小組利用SUBARU望遠鏡，飛越眼前廣闊的銀河宇宙，探索距離地球約130億光年的超遠方宇宙。獲得的觀測數據顯示，距今約130億年前，宇宙中存在大量的巨大黑洞。從大爆炸到那時(130億年前)，只有當前宇宙年齡(約138億年)的約5％。(圖片來源：松岡良樹)
