第一次，在銀河系中發(fā)現(xiàn)這類黑洞？

半人馬ω球狀星團(tuán)的中心隱藏著一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。圖：ESA/Hubble & NASA, M. H?berle (MPIA)

什么是黑洞？在天體物理學(xué)中，它被認(rèn)為是一個(gè)引力強(qiáng)大到連光一旦跨越它的邊界都無法逃脫的致密天體。在過去數(shù)十年的觀測中，天文學(xué)家已經(jīng)觀測到了兩類黑洞：一種是質(zhì)量介于5到150倍太陽質(zhì)量的恒星級黑洞，這類黑洞非常普遍，僅在銀河系中就大約有數(shù)億個(gè)；另一類是質(zhì)量為太陽質(zhì)量的數(shù)十萬倍到數(shù)十億倍的超大質(zhì)量黑洞，它們位于星系的中心。

一直以來， 天文學(xué)家都懷疑，在這兩類黑洞之間應(yīng)該還存在著中等質(zhì)量黑洞。然而，尋找這種黑洞被證明是極其困難的，在過去只發(fā)現(xiàn)了少數(shù)中等質(zhì)量黑洞的候選，但一直備受爭議。2024年7月10日，在一項(xiàng)發(fā)表于《自然》雜志的研究中，天文學(xué)家宣布他們在半人馬ω球狀星團(tuán)的中心找到了存在中等質(zhì)量黑洞的確鑿證據(jù)。

那么，為什么尋找中等質(zhì)量黑洞如此困難？

首先我們需要知道，黑洞本身是不發(fā)光的，所以我們不能直接看到它們。但天文學(xué)家已經(jīng)找到了幾種可以間接觀測到他們存在的方法：

第一種方法是探測黑洞周圍物質(zhì)發(fā)出的光：宇宙中存在著許多由黑洞和恒星組成的雙星系統(tǒng)，如果它們靠得足夠近，那么黑洞的強(qiáng)大引力就會(huì)吸引恒星身上的氣體。這些氣體并不會(huì)直接全部落入黑洞，而是會(huì)在黑洞的周圍形成一個(gè)吸積盤。吸積盤中的氣體在向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的過程中升溫，所以會(huì)發(fā)出可被探測到的X射線。

第二種方法是捕捉引力波：當(dāng)兩個(gè)黑洞相互靠近、并合時(shí)，一部分質(zhì)量就會(huì)轉(zhuǎn)化為引力波向外輻射。通過分析接收到的引力波信號，就可以推斷出黑洞并合前的質(zhì)量。

第三種方法是追蹤恒星：由于黑洞的引力非常的強(qiáng)，所以它會(huì)嚴(yán)重影響附近恒星的運(yùn)行軌跡。如果我們能夠觀測到一些有著奇怪行為的恒星在繞著某個(gè)看不見的點(diǎn)在運(yùn)行，那極有可能就是黑洞。天文學(xué)家就是通過這個(gè)方法確定了銀河系中心有一個(gè)質(zhì)量為400多萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

第四種方法是拍攝：科學(xué)家可以通過連接散布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡，對位于星系中心的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行成像，我們會(huì)看到預(yù)測中的一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)包圍著一個(gè)暗弱的中心區(qū)域。

理論上，這些方法都適用于尋找中等質(zhì)量黑洞。但在實(shí)際觀測中卻會(huì)遇到問題，比如最有可能隱藏這類黑洞的地方位于球狀星團(tuán)的中心，但多數(shù)恒星團(tuán)的物質(zhì)密度實(shí)際上并不高，所以黑洞沒有與之相互作用的氣體，也就不會(huì)發(fā)出容易探測到的X射線信號；又比如，兩個(gè)中等質(zhì)量黑洞并合會(huì)發(fā)出低頻引力波信號，但目前的引力波探測到對低頻引力波并不靈敏。

在這項(xiàng)研究中，天文學(xué)家所使用的方法是追蹤恒星，他們將目光瞄準(zhǔn)了距離我們17000光年的半人馬ω球狀星團(tuán)。

半人馬ω包含了大約1000萬顆恒星，是銀河系中已知最大的球狀星團(tuán)。天文學(xué)家普遍認(rèn)為，它是一個(gè)被銀河系吞并的古老矮星系的核心。在吞并的過程，這個(gè)矮星系失去了除了存在于核心之外的所有其他恒星。在中心的黑洞也會(huì)被“凍結(jié)在時(shí)間里”，也就是說它沒有辦法繼續(xù)生長，將一直保持在半人馬ω被銀河系吞并時(shí)的大小。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，就有必要探測到半人馬ω中心的黑洞。

在最新的研究中，研究人員意識(shí)到，如果他們能夠在半人馬ω球狀星團(tuán)的中心黑洞周圍識(shí)別出預(yù)期的快速移動(dòng)的恒星，那將是一個(gè)確鑿的證據(jù)。然而，為恒星的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)巨大的目錄并不是一件容易的事情。研究人員通過研究哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的500多張半人馬ω球狀星團(tuán)的圖像，測量位于星團(tuán)內(nèi)的140萬顆恒星的速度。最終，他們幸運(yùn)地在半人馬ω球狀星團(tuán)中心的一個(gè)小區(qū)域里，發(fā)現(xiàn)了七顆恒星正以超過半人馬ω的逃逸速度在運(yùn)動(dòng)。如果沒有中心黑洞在施加額外的引力，那么這些恒星應(yīng)該已經(jīng)逃離了星團(tuán)的中心。

通過對其中移動(dòng)最快的5顆恒星進(jìn)行最可靠的測量，研究人員計(jì)算出那里應(yīng)該存在著一個(gè)質(zhì)量至少是8200倍太陽質(zhì)量的黑洞。這正是一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。

半人馬ω球狀星團(tuán)的中心隱藏著一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。圖：ESA/Hubble & NASA, M. H?berle (MPIA)

當(dāng)然，也有人對此提出質(zhì)疑，認(rèn)為那里應(yīng)該存在著一群小得多的黑洞，而不是一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。這種質(zhì)疑凸顯了研究密集恒星環(huán)境的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。所以，未來還需要更多的觀測來證明半人馬ω球狀星團(tuán)的中心是否真的存在一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。

那么，為什么要尋找這類黑洞呢？剛才我們提到的恒星級黑洞，在宇宙中是普遍存在的，這些黑洞通常是大質(zhì)量恒星在耗盡所有燃料時(shí)，其核心最終在引力的作用下坍縮形成的。當(dāng)然，并不是所有的恒星級黑洞都是這么產(chǎn)生的，有的質(zhì)量非常大的恒星會(huì)直接坍縮，將其全部質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為黑洞；也有的黑洞是兩個(gè)中子星的并合的最終產(chǎn)物。然而，天文學(xué)家一直無法確認(rèn)的是，星系中心的超大質(zhì)量黑洞究竟是如何形成的。

根據(jù)目前的星系演化圖景，最早的星系應(yīng)該有中等大小的中心黑洞，隨著這些星系的演化，黑洞會(huì)隨著時(shí)間的推移而增長，吞并周圍較小的星系（就像銀河系所做的那樣），或者是與較大的星系并合。也就是說，中等質(zhì)量黑洞可能為超大質(zhì)量黑洞的成長提供了第一個(gè)種子，所以找到中等質(zhì)量黑洞有望幫助解決超大質(zhì)量黑洞的形成之謎。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：原理

審核：韓文標(biāo) 中科院上海天文臺(tái)研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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