宇宙中眾多的化學元素的來源與恆星演化相關，而一個恆星的「出生率」又受到星系中心大質量黑洞的影響。近期，日本XRISM分光觀測衛星取得了圓規座星系中心高解析度X射線光譜，除了看見大質量黑洞如何與星系共同演化，同時也掌握大質量恆星演化成黑洞的重要線索。相關成果於3月31日發表於《自然天文學》（Nature Astronomy）期刊上。
距離地球約1300萬光年的圓規座星系中存在著一個活躍的超大質量黑洞，它持續影響星系的演化。底圖由哈伯望遠鏡拍攝，中心放大處則是來自韋伯望遠鏡。
根據目前的理論認為，星系的演化與中心的大質量黑洞成長密不可分。要了解星系或大質量黑洞如何成長，周邊環境中化學元素的組成調查是不可或缺的工作。這是因為氫、氦以外的大多數元素都是在恆星內部與超新星爆炸時形成，能形成什麼樣元素又與恆星的質量高度相關。因此，透過研究星系中心的化學組成及比例，科學家將能推估星系中各種質量級恆星的比例，解讀星系過去的歷史。
然而，過去受限於觀測技術的限制，可見光難以穿透星系中心密集的塵埃，難以取得星系中心的光譜來解讀其中的「化學指紋」。但另一方面，X射線有著高能量、穿透力強的特性，加上大質量黑洞周邊物質在被吞噬前加速時，也會放射出X射線，讓調查星系中心組成成為可能。近期一組來自日本的研究團隊便將XRISM分光觀測衛星對準了距離地球約1300萬光年的圓規座星系（ESO 97-G13），成功取得圓規座星系中心的化學組成資訊。
圓規座星系雖然因為位在銀河系盤面附近而顯得不起眼，但它在X射線波段卻是異常明亮的活躍星系。研究團隊利用XRISM上的軟X射線分光儀Resolve累積30萬秒的集中觀測，過去觀測模糊不清的鐵、鎳、氬、鈣、鉻、錳等元素的發射譜線，這次全都成功解析出來。而且，此次收集到的光線來自距離星系中心0.08光年以外的環狀結構，等於是直接觀察到物質流入大質量黑洞的第一現場。
由XRISM/Resolve測得的圓規座星系在 2.8–10 keV 波段的光譜。來源：The XRISM Collaboration
除了高解析度的觀測成果令科學家振奮，此次觀測還意外發現圓規座星系中心周圍化學組成比例和太陽系極為不同。其中，氬、鈣對鐵的比值都比太陽系周邊物質還小，但鎳對鐵的比值卻高出不少。考量黑洞周圍環狀結構的物質應是來自近期的超新星爆炸，觀測結果顯示圓規座星系內質量大於20倍太陽質量的恆星很多，但其中有一部份在度過紅超巨星階段後並沒有發生超新星爆炸，將物質回歸宇宙，而是直接塌縮成黑洞。
儘管過去曾有理論預測這種「失敗的超新星」存在，也曾觀測到疑似天體出現，但此次圓規座星系的研究卻是首次表明「失敗的超新星」可能存在的強力證據。透過XRISM在X射線光譜的高解析力，科學家希望能繼續調查其他活躍星系，藉此更深入了解宇宙中物質循環及黑洞的形成過程。
20倍以上太陽質量的恆星在度過紅超巨星階段後，中心直接塌縮成黑洞，導致氬、鈣等物質沒有機會散逸到宇宙中，而是直接被黑洞吞噬。示意圖來源：JAXA
本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。
