美國(guó)宇航局哈勃望遠(yuǎn)鏡在地球附近尋找中等大小的黑洞

使用美國(guó)宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家們已經(jīng)找到了他們所說的最好的證據(jù)，證明了一種罕見的“中等大小”黑洞的存在，它可能潛伏在離地球最近的球狀星團(tuán)的中心，位于6000光年之外。

就像空間結(jié)構(gòu)中強(qiáng)烈的引力坑洞一樣，幾乎所有的黑洞似乎都有兩種尺寸：小的和巨大的。據(jù)估計(jì)，我們的銀河系中充斥著1億個(gè)由爆炸的恒星產(chǎn)生的小黑洞（質(zhì)量是太陽的幾倍）。宇宙中充斥著超大質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量是太陽質(zhì)量的幾百萬或幾十億倍，通常在星系的中心可以被發(fā)現(xiàn)。

一個(gè)長(zhǎng)期尋找的缺失環(huán)節(jié)是中等質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量在100～100000個(gè)太陽質(zhì)量之間。它們是如何形成的，它們會(huì)在哪里活動(dòng)，以及為什么它們似乎如此罕見？

天文學(xué)家已經(jīng)通過各種觀測(cè)技術(shù)確定了其他可能的中等質(zhì)量黑洞。其中兩個(gè)最好的候選者——3XMM J215022.4-055108（哈勃在2020年幫助發(fā)現(xiàn)）和HLX-1（2009年發(fā)現(xiàn)），位于其他星系外圍的密集星團(tuán)中。這些可能的黑洞中每一個(gè)都有數(shù)萬個(gè)太陽的質(zhì)量，并且可能曾經(jīng)位于矮星系的中心。美國(guó)宇航局的錢德拉X射線觀測(cè)站也幫助發(fā)現(xiàn)了許多可能的中級(jí)黑洞，包括2018年的一個(gè)大型樣本。

看看離家更近的地方，在圍繞我們銀河系的密集球狀星團(tuán)中已經(jīng)探測(cè)到了許多疑似中等質(zhì)量的黑洞。例如，在2008年，哈勃天文學(xué)家宣布在球狀星團(tuán)Omega Centauri中懷疑存在一個(gè)中等質(zhì)量的黑洞。由于一些原因，包括需要更多的數(shù)據(jù)，這些和其他中等質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)仍然是不確定的，并不排除其他理論的存在。

現(xiàn)在，哈勃的獨(dú)特能力已經(jīng)被用來鎖定球狀星團(tuán)Messier 4（M4）的核心，以比以前的搜索更高的精度去獵取黑洞。2023年5月23日發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上的一篇論文的主要作者、馬里蘭州巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的愛德華多-維特拉爾說：“沒有哈勃，你就無法推進(jìn)這種科學(xué)。”

Vitral的團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到了一個(gè)可能的中等質(zhì)量黑洞，大約有800個(gè)太陽質(zhì)量。這個(gè)被懷疑的天體是肉眼看不到的，但是它的質(zhì)量是通過研究陷入其引力場(chǎng)的恒星的運(yùn)動(dòng)來計(jì)算的，就像蜜蜂在蜂巢周圍蜂擁而至。測(cè)量它們的運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間，也需要足夠的精度。這就是哈勃完成而現(xiàn)今其他望遠(yuǎn)鏡不能做到的原因，天文學(xué)家們可以查看哈勃長(zhǎng)達(dá)12年的M4觀測(cè)數(shù)據(jù)。

他的團(tuán)隊(duì)估計(jì)，M4中的黑洞可能是我們太陽質(zhì)量的800倍之多。哈勃的數(shù)據(jù)傾向于排除這個(gè)物體的其他理論，例如一個(gè)由中子星等未確認(rèn)的恒星殘余物組成的緊湊的中央星團(tuán)，或者較小的黑洞相互旋轉(zhuǎn)。

“我們有很好的信心，我們有一個(gè)非常小的區(qū)域，有很多集中的質(zhì)量。它比我們之前在其他球狀星團(tuán)中發(fā)現(xiàn)的最密集的暗質(zhì)量要小三倍左右，”維特拉爾說，“當(dāng)我們考慮到黑洞、中子星和白矮星的集合被隔離在球狀星團(tuán)的中心時(shí)，這個(gè)區(qū)域比我們用數(shù)值模擬所能再現(xiàn)的更加緊湊。它們不能夠形成如此緊湊的質(zhì)量集中。”

一組緊密結(jié)合的天體在動(dòng)力學(xué)上將是不穩(wěn)定的。如果這個(gè)天體不是一個(gè)單一的中等質(zhì)量的黑洞，那么估計(jì)需要40個(gè)較小的黑洞擠在一個(gè)只有十分之一光年寬的空間里，才能產(chǎn)生觀察到的恒星運(yùn)動(dòng)。其后果是，它們將在星際“彈球游戲”中合并或被彈出。

“我們測(cè)量恒星的運(yùn)動(dòng)和它們的位置，應(yīng)用物理模型試圖再現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)。我們最終測(cè)量出星團(tuán)中心的暗物質(zhì)延伸，”維特拉爾說，“離中心質(zhì)量越近，恒星的運(yùn)動(dòng)就越隨機(jī)。而且，中心質(zhì)量越大，這些恒星的速度就越快。”

由于球狀星團(tuán)中的中等質(zhì)量黑洞一直難以捉摸，維特拉爾說：“雖然我們不能完全肯定它是一個(gè)引力中心點(diǎn)，但我們可以證明它非常小。它太小了，除了它是一個(gè)單一的黑洞之外，我們無法解釋。另外，可能有一個(gè)我們根本不知道的恒星機(jī)制，至少在目前的物理學(xué)范圍內(nèi)”。