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(zhēng)議的候選體，介于恒星級(jí)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(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著天文學(xué)家。

　　研究發(fā)現(xiàn)直接證據(jù)

　　中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)2月21日發(fā)布消息說(shuō)，該臺(tái)研究人員領(lǐng)銜多家科研機(jī)構(gòu)合作團(tuán)隊(duì)，通過搜尋因“引力彈弓效應(yīng)”(希爾機(jī)制)從球狀星團(tuán)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(lái)自球狀星團(tuán)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 繪圖

　　研究團(tuán)隊(duì)基于歐洲空間局蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡(Gaia)、中國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，LAMOST)以及多個(gè)光譜巡天數(shù)據(jù)，分析了近千顆高速星及銀河系百余個(gè)球狀星團(tuán)的軌道演化，發(fā)現(xiàn)編號(hào)為J0731+3717的高速星在約2000萬(wàn)年前，以接近550千米每秒的超高速度從球狀星團(tuán) 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(yīng)”，從而為球狀星團(tuán) M15中心存在中等質(zhì)量黑洞提供了有力的動(dòng)力學(xué)證據(jù)。

　　黑洞領(lǐng)域這項(xiàng)重磅發(fā)現(xiàn)研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)/中國(guó)科學(xué)院大學(xué)黃樣副教授聯(lián)手同事和中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)、北京大學(xué)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(xué)術(shù)期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》發(fā)表。

　　黃樣表示，隨著蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡、郭守敬望遠(yuǎn)鏡等地面大規(guī)模光譜巡天數(shù)據(jù)的不斷積累，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)至少還能發(fā)現(xiàn)數(shù)顆J0731+3717一樣從球狀星團(tuán)中彈射出來(lái)的高速星，這將極大推動(dòng)對(duì)“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(jí)黑洞(例如讓霍金‘認(rèn)賭服輸’的天鵝座X-1)和存在于每個(gè)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(rèn)為是恒星級(jí)黑洞成長(zhǎng)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(zhēng)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(jì)時(shí)法(左)與高速星溯源軌道法(右)搜尋區(qū)域的對(duì)比。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

　　黃樣指出，球狀星團(tuán)被認(rèn)為是中等質(zhì)量黑洞最理想的潛藏場(chǎng)所。由于球狀星團(tuán)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(fù)并合形成一個(gè)(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(jí)小黑洞的反復(fù)并合，形成一個(gè)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(jì)初，科學(xué)家們就利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡(HST)搭載的超高空間分辨率的太空望遠(yuǎn)鏡影像攝譜儀對(duì)球狀星團(tuán)M15進(jìn)行觀測(cè)，并得出M15中心可能存在一個(gè)重達(dá)1700至3200倍太陽(yáng)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(rèn)為該觀測(cè)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(lái)，科學(xué)家利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡歷年來(lái)拍攝的500余幅圖像，在半人馬座歐米伽星團(tuán)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(gè)中等質(zhì)量黑洞來(lái)束縛這些恒星，但同樣面臨無(wú)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(tuán)中心盡可能近的位置探測(cè)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(tuán)隊(duì)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(yīng)”，來(lái)限制中心質(zhì)量的集中范圍。他們通過對(duì)蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡、郭守敬望遠(yuǎn)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(gè)球狀星團(tuán)進(jìn)行詳細(xì)的軌道回溯，研究發(fā)現(xiàn)一顆高速星J0731+3717在約2000萬(wàn)年前以接近550千米每秒的超高速度從球狀星團(tuán)M15中彈射而出。同時(shí)，該高速星還有著與球狀星團(tuán)M15高度一致的化學(xué)豐度和年齡。

高速星J0731+3717與球狀星團(tuán)M15的軌道關(guān)聯(lián)(a)、化學(xué)關(guān)聯(lián)(b)與年齡關(guān)聯(lián)(c)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 供圖

　　黃樣指出，自球狀星團(tuán)中彈射如此高速的恒星，就需要一個(gè)密近雙星從數(shù)千個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞的一個(gè)天文單位附近經(jīng)過時(shí)被強(qiáng)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?gòu)棾觥＿@個(gè)獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)利用“引力彈弓效應(yīng)”首次把數(shù)千個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量限制在幾個(gè)天文單位之內(nèi)，不可能是數(shù)千個(gè)中子星/恒星級(jí)黑洞，而只能是一個(gè)黑洞，即M15中心確實(shí)存在一個(gè)中等質(zhì)量黑洞。

　　因此，這項(xiàng)研究通過發(fā)現(xiàn)首顆因球狀星團(tuán)中“引力彈弓效應(yīng)”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)