天文学家发现离地球最近的黑洞

半人马座阿尔法星团包含一个位于约 18,000 光年之外的中等质量黑洞。
Image of Omega Centauri star cluster with black hole and evidence stars highlighted
半人马座阿尔法星团的中等质量黑洞距离地球约 18,000 光年。来源:T. Müller, M. Häberle (MPIA)

一个黑洞可能比我们银河系中心、距离我们 27,000 光年的超大质量黑洞 人马座 A* 还要更接近地球。不过,不必恐慌。尽管这是同类证据的首次发现,但这个潜在的中等质量时空奇点并不会对地球构成威胁。然而,半人马座阿尔法星团中心似乎证实了关于星系形成本质的一个长期存在的理论。这项“非凡的证据”发表在 7 月 10 日的《自然》杂志上。

自 1964 年发现天鹅座 X-1 以来,天文学家们已经发现了数十个不同质量大小的黑洞。例如,人马座 A* 位于我们周围的银河系中心,距离地球约 27,000 光年。与无数其他星系中心一样,人马座 A* 是一个超大质量黑洞,其质量相当于数十亿个太阳。但黑洞并非只有“超大质量”一种——之前观测到的恒星级黑洞的质量也介于一到几十个太阳质量之间。

A 3 panel zoom into a new colored ESA/Hubble image of Omega Centauri with the likely position of the intermediate-mass black hole.
Credit: ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)
三幅拼贴图,放大显示了欧洲空间局/哈勃拍摄的半人马座阿尔法星团的新彩色图像,并标出了中等质量黑洞的可能位置。来源:ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)

然而,中等质量黑洞一直以来都难以被天文学家们捕捉到。专家们推测,这是因为它们周围的矮星系经常被更大的星系吞噬。在这个过程中,中等质量黑洞及其周围的星系核心恒星团被“冻结”在时间里。它无法吞噬更多物质,使得这个星团永远保持稳定、中等的规模——就像半人马座阿尔法星团一样。

半人马座阿尔法星团距离地球约 18,000 光年,数十亿年前,它是一个独立的星系核心,后来被银河系吞噬。天文学家们长期以来一直推测,这个核心包含一个中等质量黑洞,但一直未能证实。现在,在以马克斯-普朗克天文学研究所 (MPIA) 和犹他大学的研究人员为首的团队的努力下,这一假设可能终于得到了证实。

正如新的《研究》中所解释的,天文学家们现在有了半人马座阿尔法星团中中等质量黑洞的最佳候选者。MPIA 的博士生 Maximilian Häberle 负责了这项艰巨的任务,他通过检查哈勃太空望远镜拍摄的 500 多张图像, painstaking 地编目了星团内 140 万颗恒星极其快速的运动速度。根据它们的相对速度,天文学家们认为一个集中的质量(即黑洞)位于这些恒星的某处。然而,仅凭一颗恒星的速度来确定这个质量的大小是不可能的,因为无法确定这颗恒星是靠近一个巨大的天体,还是仅仅靠近一个较小的天体。

“寻找高速运动的恒星并记录它们的运动,就像大海捞针一样,”Häberle 在一份随附的声明中说 表示

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在这些恒星中,只有七颗具有不同寻常的高速和定向运动,似乎暗示着附近存在一个宇宙质量。经过对每颗恒星特性的详细检查,Häberle 和他的同事们现在对影响它们运动的因素充满信心。

MPIA 的团队领导 Nadine Neumeyer 补充说:“之前的研究提出了‘那么,高速恒星在哪里?’的尖锐问题。我们现在有了答案,并证实了半人马座阿尔法星团确实包含一个中等质量黑洞。” 根据 Neumeyer 的说法,这个距离地球 18,000 光年的中等质量黑洞,使其成为已知离地球最近的黑洞,甚至比银河系中心的人马座 A* 还要近。

进一步的研究表明,半人马座阿尔法星团的黑洞质量至少为 8,200 个太阳质量,但不要指望看到它的照片。这对团队来说其实是件好事——在预期的位置没有任何可见物体,进一步证明了黑洞的存在,因为它无法逃脱任何光线的引力。

犹他大学天文学副教授、联合首席研究员 Amil Seth 在另一封电子邮件声明中表示:“这是一项一生难遇的发现。我为此兴奋了九个月。每次想到它,我都难以入睡。我认为非凡的主张需要非凡的证据。这确实是真正非凡的证据。”

 

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