中新網(wǎng)北京2月21日電 (記者 孫自法)由于目前僅發(fā)現(xiàn)少數(shù)有爭議的候選體，介于恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的中等質(zhì)量黑洞是否存在，長期以來一直困擾著天文學家。
研究發(fā)現(xiàn)直接證據(jù)
中國科學院國家天文臺2月21日發(fā)布消息說，該臺研究人員領(lǐng)銜多家科研機構(gòu)合作團隊，通過搜尋因“引力彈弓效應”(希爾機制)從球狀星團中被彈射的高速星，最新研究發(fā)現(xiàn)“隱匿”已久的中等質(zhì)量黑洞存在的直接證據(jù)。
來自球狀星團的逃逸之星：中等質(zhì)量黑洞存在證據(jù)鏈的最后一環(huán)藝術(shù)想象圖。中國科學院國家天文臺 繪圖研究團隊基于歐洲空間局蓋亞空間望遠鏡(Gaia)、中國郭守敬望遠鏡(大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，LAMOST)以及多個光譜巡天數(shù)據(jù)，分析了近千顆高速星及銀河系百余個球狀星團的軌道演化，發(fā)現(xiàn)編號為J0731+3717的高速星在約2000萬年前，以接近550千米每秒的超高速度從球狀星團 M15中被彈射。這一極高的彈射速度最可能源于“引力彈弓效應”，從而為球狀星團 M15中心存在中等質(zhì)量黑洞提供了有力的動力學證據(jù)。
黑洞領(lǐng)域這項重磅發(fā)現(xiàn)研究由中國科學院國家天文臺/中國科學院大學黃樣副教授聯(lián)手同事和中國科學院云南天文臺、北京大學等合作伙伴共同完成，相關(guān)成果論文已作為封面文章在最新一期學術(shù)期刊《國家科學評論》發(fā)表。
黃樣表示，隨著蓋亞空間望遠鏡、郭守敬望遠鏡等地面大規(guī)模光譜巡天數(shù)據(jù)的不斷積累，預計在不久的將來至少還能發(fā)現(xiàn)數(shù)顆J0731+3717一樣從球狀星團中彈射出來的高速星，這將極大推動對“神秘”中等質(zhì)量黑洞的理解。
通過兩種方式形成
在宇宙中，由大質(zhì)量恒星死亡形成的恒星級黑洞(例如讓霍金‘認賭服輸’的天鵝座X-1)和存在于每個大型星系中心的超大質(zhì)量黑洞(如銀河系中心的Sgr A*)早已為人所知。然而，質(zhì)量介于二者之間的中等質(zhì)量黑洞通常被認為是恒星級黑洞成長為超大質(zhì)量黑洞的關(guān)鍵中間環(huán)節(jié)，但目前只發(fā)現(xiàn)少數(shù)存在爭議的候選體，也讓這類黑洞究竟是否存在備受關(guān)注。
傳統(tǒng)速度彌散曲線和脈沖星計時法(左)與高速星溯源軌道法(右)搜尋區(qū)域的對比。中國科學院國家天文臺 供圖黃樣指出，球狀星團被認為是中等質(zhì)量黑洞最理想的潛藏場所。由于球狀星團中心極高的恒星密度，中等質(zhì)量黑洞可以通過兩種方式形成：一是恒星的反復并合形成一個(超)大質(zhì)量恒星后，再塌縮成中等質(zhì)量黑洞(快速模式)；二是一些恒星級小黑洞的反復并合，形成一個中等質(zhì)量黑洞(慢速模式)。
過往研究引發(fā)質(zhì)疑
早在21世紀初，科學家們就利用哈勃空間望遠鏡(HST)搭載的超高空間分辨率的太空望遠鏡影像攝譜儀對球狀星團M15進行觀測，并得出M15中心可能存在一個重達1700至3200倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞，但該結(jié)果發(fā)表后引發(fā)諸多質(zhì)疑，認為該觀測范圍內(nèi)除中等質(zhì)量黑洞外，還可能有數(shù)千顆致密星。
近年來，科學家利用哈勃空間望遠鏡歷年來拍攝的500余幅圖像，在半人馬座歐米伽星團中發(fā)現(xiàn)7顆束縛的高速星。這一發(fā)現(xiàn)被解釋為可能需要一個中等質(zhì)量黑洞來束縛這些恒星，但同樣面臨無法排除為一群致密星的可能性。
如何找到有效的方法在距離球狀星團中心盡可能近的位置探測中等質(zhì)量黑洞，因此成為確定中等質(zhì)量黑洞存在證據(jù)鏈的最后一環(huán)。
證據(jù)鏈的最后一環(huán)
為解決上述困境，研究團隊提出利用中等質(zhì)量黑洞可以撕開緊鄰它們快速繞轉(zhuǎn)密近雙星的“引力彈弓效應”，來限制中心質(zhì)量的集中范圍。他們通過對蓋亞空間望遠鏡、郭守敬望遠鏡等數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的近千顆高速星及銀河系中百余個球狀星團進行詳細的軌道回溯，研究發(fā)現(xiàn)一顆高速星J0731+3717在約2000萬年前以接近550千米每秒的超高速度從球狀星團M15中彈射而出。同時，該高速星還有著與球狀星團M15高度一致的化學豐度和年齡。
高速星J0731+3717與球狀星團M15的軌道關(guān)聯(lián)(a)、化學關(guān)聯(lián)(b)與年齡關(guān)聯(lián)(c)。中國科學院國家天文臺 供圖黃樣指出，自球狀星團中彈射如此高速的恒星，就需要一個密近雙星從數(shù)千個太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞的一個天文單位附近經(jīng)過時被強大的潮汐力撕開，一顆星被黑洞捕獲，而另外一顆星則被高速彈出。這個獨特的發(fā)現(xiàn)利用“引力彈弓效應”首次把數(shù)千個太陽質(zhì)量限制在幾個天文單位之內(nèi)，不可能是數(shù)千個中子星/恒星級黑洞，而只能是一個黑洞，即M15中心確實存在一個中等質(zhì)量黑洞。
因此，這項研究通過發(fā)現(xiàn)首顆因球狀星團中“引力彈弓效應”彈射的高速星 J0731+3717，打通了中等質(zhì)量黑洞存在證據(jù)鏈的最后一環(huán)。(完)