哈勃望遠鏡找到首個“失蹤的黑洞”

哈勃在球狀星團「半人馬座Ω」里，終于找到第一個失蹤的黑洞

半人馬座Ω（Omega Centauri）是夜空中最大、最壯觀的球狀星團，約 1000 萬顆恒星被引力綁在一起。幾十年來它一直讓天文學家困惑：按理論，這里本該藏著成千上萬個恒星質(zhì)量黑洞，可就是找不到。

現(xiàn)在，天文學家挖出哈勃太空望遠鏡 20 多年的存檔數(shù)據(jù)，再配合韋布空間望遠鏡的觀測，在這個星團里確認了首個恒星質(zhì)量黑洞。這一發(fā)現(xiàn)會幫助人們弄清楚，黑洞是怎么在球狀星團這種擁擠環(huán)境里誕生的。

一個本該有、卻一直找不到的黑洞群

球狀星團是宇宙中最古老、恒星最密集的「恒星都市」。此前，天文學家已經(jīng)借助哈勃發(fā)現(xiàn)半人馬座Ω中心潛伏著一個中等質(zhì)量黑洞的蹤跡。而模型預言，這個星團里還應該散落著約 1 萬個更小的恒星質(zhì)量黑洞，也就是大質(zhì)量恒星走到生命盡頭、超新星爆發(fā)后留下的致密殘骸。

可這么一大批黑洞，卻長期躲過搜索。過去的研究要么用徑向速度法，要么去找物質(zhì)落入黑洞時發(fā)出的射電和 X 射線輻射，結果都無功而返。

換個思路：去量恒星的位置

這次團隊換了思路，用的是天體測量（astrometry）：不靠恒星朝我們方向的運動，而是去精確測量它在天空上的橫向位置怎么一點點挪動。

團隊仔細梳理了 2002 年到 2023 年間哈勃的存檔影像，再引入韋布的近紅外數(shù)據(jù)進一步提高精度。最終，他們鎖定了這樣一顆恒星：它正在圍繞一個看不見、卻質(zhì)量巨大的天體運行。這個天體如此沉重，唯一的可能就是黑洞。

這顆黑洞被命名為 oMEGACat BH-2，是半人馬座Ω里第一顆被確認的恒星質(zhì)量黑洞。它離我們約 1.8 萬光年，就在這個星團擁擠的恒星堆里。

4.46 個太陽質(zhì)量，比預期還輕

研究團隊算出，這顆黑洞的質(zhì)量約為 4.46 個太陽質(zhì)量，而它那顆可見的伴星只有 0.78 個太陽質(zhì)量。

「我們已經(jīng)知道那顆恒星是 0.78 個太陽質(zhì)量，現(xiàn)在算出了黑洞是 4.46 個太陽質(zhì)量，因此太重，不可能是中子星?！拐撐暮献髡?、猶他大學的 Anil Seth 說，「不過，它的質(zhì)量實際上遠低于在像半人馬座Ω這樣貧金屬環(huán)境中所預期的值。這既令人意外，也令人興奮。我們現(xiàn)在知道，貧金屬恒星也能形成這樣的黑洞，接下來要搞清楚它是怎么形成的。」

94 年繞一圈，已知周期最長的黑洞雙星

憑借哈勃與韋布的高精度數(shù)據(jù)，團隊得以描繪出這顆恒星 20 多年間的運行軌跡。運氣很好，這段時間恰逢它最靠近黑洞、在天空上移動最快的階段。

由此，團隊測定：這顆可見恒星繞 oMEGACat BH-2 一圈需要約 94 年，是目前已知周期最長的黑洞雙星系統(tǒng)。

漫長的軌道周期也透露了它的身世：這對組合很可能是動力學形成的，恒星和黑洞一開始并不在一起，是在星團擁擠的環(huán)境里偶然相遇、被彼此引力捕獲才結成伴。

研究者算出，像 oMEGACat BH-2 這樣的系統(tǒng)，用不了 10 億年就會被附近恒星的擾動撕散，遠短于星團本身約 120 億年的高齡。

為什么要關心星團里的黑洞？

星團里的黑洞為什么值得費力氣去找？因為這關系到我們怎么理解引力波。

「理解球狀星團中的黑洞群體很重要，因為我們對其中的物理和形成過程還存在不確定性。」Seth 說，「更具體地說，弄清楚黑洞如何形成、又如何通過動力學結成雙星，對我們解讀和理解引力波事件至關重要。像半人馬座Ω這樣的環(huán)境，正是我們認為雙星并合、產(chǎn)生引力波的主要場所?！?/p>

哈勃檔案的二次豐收

「這項新發(fā)現(xiàn)凸顯了哈勃太空望遠鏡檔案的巨大傳承價值。」負責本次哈勃與韋布數(shù)據(jù)處理的歐洲南方天文臺博士后 Maximilian H?berle 說，「這是我們 oMEGACat 天體測量再分析的第二項突破，上一次是確認了半人馬座Ω中心的中等質(zhì)量黑洞?！?/p>

oMEGACat BH-2 是這批黑洞里露面的第一個。要把球狀星團里剩下的黑洞都找出來，工作才剛開頭。

這項研究已發(fā)表于《天體物理雜志通訊》（The Astrophysical Journal Letters），領銜作者為猶他大學的 Matthew Whitaker。

圖片來源：ESA/Hubble & NASA, M. H?berle (MPIA), J. DePasquale (STScI)