哈勃探秘：寻找失踪的黑洞

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编译：刘峰

校对：张馨月

美工：田艺婷

后台：朱宸宇

这张哈勃太空望远镜的图像显示了球状星团梅西耶4号。它包含数十万颗恒星，其中心可能拥有一个难以捉摸的中等质量黑洞，大约800个太阳质量。

图片来源：ESA / Hubble&NASA

大多数黑洞都是恒星质量黑洞。当一颗比太阳大几倍的恒星到达终点并自行坍缩时，它们便产生了。还有超大质量黑洞（SMBH），这是星系中心的庞然大物，其质量是太阳的数十亿倍。

但是中等质量黑洞（IMBH）在哪里？

中等质量黑洞（IMBH）的质量在100到10万太阳质量之间。近年来，天文学家对这些难以捉摸的天体搜寻势头强劲，目前已经发现了其中几个天体的证据。2009年发现的HLX-1是一个潜在的IMBH，位于大约300亿光年外的一个星团中。2019年5月，天文学家探测到GW 190521事件，这是一种来自IMBH的引力波，几乎可以肯定是两个合并黑洞的结果。另一个潜在的IMBH，编号3XMM J215022.4-055108，也是一个强有力的候选者。在哈勃望远镜帮助下，人类于2020年首次发现该天体。

这张图片显示了大约467亿公里外的IMBH候选者HLX-1。

图片来源：Sean Farrell.

许多天文学家认为IMBH并不罕见，但它们非常难以找到。2022年，加那利群岛天文研究所（IAC）的研究人员在50多个星系中发现了不寻常的“光”，他们说这些“光”只能由IMBH周围的吸积盘引起。2023年，研究表明，IMBH经常吞噬周边恒星，应该可以通过恒星被潮汐破坏时释放的连续电磁耀斑来探测到。

这张哈勃太空望远镜的图像确定了一个名为J 2150（3XMM J215022.4 055108）的中等质量黑洞的位置，其重量超过太阳质量的5万倍。图中黑洞位置位于白色圆圈中。这张照片是用哈勃望远镜的先进巡天照相机（Advanced Camera for Surveys）拍摄的。

图片来源：NASA，ESA和D. Lin（新罕布什尔大学）

尽管这些发现激动人心，但目前的证据不足以让天文学界中的更多人相信所有这些潜在的IMBH都是真实的。但几乎可以肯定，IMBH是超大质量黑洞的基石，比如银河系中的人马座A*。他们一定在那里，等着我们弄清楚如何观察他们。

在即将发表在《皇家天文学会月刊》上的新研究中，研究人员调查了一个距离我们7000光年的球状星团M4或称NGC 6121。他们使用哈勃太空望远镜和欧空局盖亚探测器的数据，来定位他们认为可能是IMBH的M4核心。这项研究的标题是“球状星团M4中心令人费解的暗质量”，主要作者是马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的爱德华多·维特拉尔。

盖亚任务科学家提莫普鲁斯特说“科学很少在一瞬间发现新事物，而是一步一步地更加确定结论。这可能是朝着确定中等质量黑洞存在的关键一步”。

这项研究表明天文学家不仅在M4中发现了超出预期的暗质量，而且也在其他球状星团的核心中发现了这些暗物质。根据这项新研究，M4的暗质量可能是白矮星的集合，也可能是恒星质量黑洞的集合，或是大约800个太阳质量的IMBH。尽管M4是离我们最近的球状星团，但它还十分遥远，在星团密集的核心中解析单个恒星很困难。这项研究利用了哈勃望远镜对M4的12年观测，并结合盖亚数据来解析和精确定位一些恒星，分析它们的速度和运动。

通过测量数千颗M4中恒星的速度分布，研究人员能够估算出星团核心的暗质量。他们写道：“我们对M4内部质量过剩的拟合首先表明M4中内部暗质量约为800个太阳质量。但问题是，质量分布有多广？有没有办法确定所有这些质量是像IMBH这样的单个物体还是大质量物体的集合，比如没有合并的恒星级黑洞？

一颗星在数据中脱颖而出。这是一颗高速恒星，作者认为这是通过与M4中心的IMBH相互作用而加速的。他们写道：“如果高速恒星与猜想的IMBH有关，那么它的高速最终可以通过近距离通过致密物体后的引力弹弓来解释。他们还指出，模型显示M4中心的IMBH有33%的机会在星团的中心区域捕获到一颗高速恒星。

这项研究显示了M4中的高速恒星（图中绿色五角星），它表明球状星团的中心存在IMBH。

图片来源：维特拉尔等人，2023 年

高速恒星本身并不足以证明这一点。它表示星团核心中的集中质量，但不能确定质量的性质。但是研究人员能够有效地从他们的模拟过程中移除高速恒星，看看它对中心质量的性质有什么影响。“然而，从星团中心移除一颗高速恒星时，发现了相同的质量过剩现象，但分布更广”他们解释说。

更分散的质量可能表明它是若干物体的集合，而不是单个IMBH。但不幸的是，他们仍然无法确定。“...我们多余的质量不足以明确地与剩余的暗物质总量联系起来”，他们写道。

这位艺术家的插图显示了在星系中心附近移动的黑洞。

图片来源：加布里埃尔·佩雷斯·迪亚斯（IAC）

“使用最新的盖亚和哈勃数据，无法区分一群恒星级黑洞还是单一更大的中等质量黑洞，”主要作者维特拉尔在一份新闻稿中说。“因此，理论上存在一种可能，这个黑暗的质量可能是一个中等大小的黑洞，而不是许多独立的小黑暗物体。

“我们非常有信心，我们发现在一个非常小的区域里有很多集中的质量。这个区域比我们之前在其他球状星团中发现的最密集的暗质量范围小三倍，“他继续说道。“如果那些是在星团中心若干独立的黑洞，中子星和白矮星，那么该地区比我们用数值模拟可以重现的区域更紧凑。也就是说，它们无法形成如此紧凑的质量集中现象。

如果暗质量是若干独立天体组成，那么它们很可能是不稳定的。该团队在M4核心测量的质量必须是大约40个较小的黑洞。但它们会被压缩到一个只有1/10光年直径的区域。只有如此紧密的分组才能产生观察到的单个恒星的运动。很难想象40个黑洞能够在这么小的空间里很好地结合在一起，一定会发生黑洞合并和物质弹射。

在一份新闻稿中，主要作者Vitral解释了该团队的结果。“我们测量恒星的运动及其位置，并应用物理模型来重现这些运动。我们最终测量了星团中心的暗质量范围，“维特拉尔说。“越接近中心质量，恒星的移动就越随机。而且，中心质量越大，这些恒星速度就越快。

最后，该团队的结果倾向于M4中存在IMBH。因为质量太集中，恒星级黑洞群或其他恒星残骸无法解释该现象。“我们还拟合了这样一个质量的分布，并发现了一个相对较小的比例半径（即0.016 pc），虽然它不像IMBH所预期的那样像点一样大小，但它仍然太小，若干暗天体集合的说法站不住脚”他们在结论中写道。

但他们仍然没有定论，这两种情况都不能完全解释他们的发现。M4中可能有一些更奇特的东西在起作用。虽然他们倾向于IMBH作为所有数据和建模的最佳选择，但他们不能完全排除黑洞集合的情况。“虽然我们发现很难从理论方面完全解释这两种情况，但我们强调，从最近的球状星团研究中，恒星残骸集中似乎仍然是一个更现实的解释”他们写道。

这张来自ESO拉西拉天文台MPG / ESO2.2米望远镜的宽视场成像仪的图像显示了壮观的球状星团M4。它距离我们大约7200光年直径约75光年，和其他球状星团一样，它十分古老大约120亿岁。

图片来源：ESO成像调查，CC BY 1235.4

得到真相的唯一方法是使用更准确、更精确的数据。盖亚的下一次数据发布将有所帮助，哈勃望远镜的更多观测结果也十分必要，希望还有詹姆斯韦伯太空望远镜。

“M4内部质量的物理学值得进一步研究，”维特拉尔和他的同事写道。“因此，我们的研究结果为未来的观测活动设定了一个有趣的目标，并开启了关于离太阳最近的球状星团的重要议题。”

“科学很少是在一瞬间发现新事物，而是一步一步更加确定结论，这可能是确保中等质量黑洞存在的一步，“盖亚任务科学提莫普鲁斯特解释说。“盖亚第三次数据发布关于银河系中恒星正常运动的数据在这项研究中至关重要。未来的盖亚数据发布，以及哈勃和詹姆斯韦伯太空望远镜的后续研究，可能会进一步揭示真相。

https://www.universetoday.com/161531/where-are-the-missing-black-holes-the-hubble-may-have-helped-find-one/

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

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微信公众号：astronomycn

图片名称 埃及沙漠上的银河

图片来源 Amr Abdulwahab

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