科學家發現中等質量黑洞存在的直接證據

近日，中國科學院國家天文臺/中國科學院大學副教授黃樣聯合多家科研機構，通過搜尋從球狀星團中被彈射的高速星，為“隱匿”已久的中等質量黑洞提供了直接證據。相關研究成果作為封面文章發表在《國家科學評論》上。

來自球狀星團的逃逸之星：中等質量黑洞存在證據鏈的最后一環藝術想象圖。國家天文臺供圖

在宇宙中，由大質量恒星死亡形成的恒星級黑洞和存在于每個大型星系中心的超大質量黑洞早已為被科學家所知。質量介于二者之間的中等質量（IMBH）黑洞通常被認為是恒星級黑洞成長為超大質量黑洞的關鍵中間環節，但目前只發現了少數存在爭議的候選體。這類黑洞究竟是否存在，長期以來一直困擾著天文學家。

科研人員介紹，球狀星團被認為是中等質量黑洞最理想的潛藏場所。早在20世紀初，科學家們就利用哈勃空間望遠鏡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進行了觀測，推測M15中心可能存在一個重達1700至3200太陽質量的中等質量黑洞。

對此，許多研究團隊提出了質疑。后續天文學家采用不同方法開展進一步研究，取得了長足進展。但想要證實M15中心存在中等質量黑洞，還需要更接近星團中心的觀測數據。

在最新發表的論文中，研究團隊提出，利用中等質量黑洞可以撕開緊鄰它們快速繞轉密近雙星的“引力彈弓效應”（希爾機制），來限制中心質量的集中范圍。

他們基于蓋亞天文學衛星（Gaia）和郭守敬望遠鏡（LAMOST）數據，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，發現高速星J0731+3717約2000萬年前以接近550 km/s的超高速度從球狀星團 M15中被彈射。這一數據分析的置信度達5.4σ，意味著其結果具有很高的可靠性。同時，J0731+3717還有著與M15高度一致的化學豐度和年齡。

科研團隊推測，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千個太陽質量的中等質量黑洞的一個天文單位附近經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。

這個獨特的發現利用引力彈弓效應首次把數千個太陽質量限制在幾個天文單位之內，因此不可能是數千個中子星/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量黑洞。

業內專家認為，該研究通過發現首顆因球狀星團中引力彈弓效應彈射的高速星J0731+3717，打通了中等質量黑洞存在證據鏈的“最后一環”。

科研團隊期待，隨著Gaia和如LAMOST等地面大規模光譜巡天數據的不斷積累，不久的將來至少還能發現數顆與J0731+3717一樣從球狀星團中彈射出來的高速星，有望推動科學家對中等質量黑洞的理解。

相關論文信息：http://doi.org/10.1093/nsr/nwae347