中等质量黑洞存在吗？中国天文学家研究发现直接证据

　　中新网北京2月21日电 (记者 孙自法)由于目前仅发现少数有争议的候选体，介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的中等质量黑洞是否存在，长期以来一直困扰着天文学家。

　　研究发现直接证据

　　中国科学院国家天文台2月21日发布消息说，该台研究人员领衔多家科研机构合作团队，通过搜寻因“引力弹弓效应”(希尔机制)从球状星团中被弹射的高速星，最新研究发现“隐匿”已久的中等质量黑洞存在的直接证据。

来自球状星团的逃逸之星：中等质量黑洞存在证据链的最后一环艺术想象图。中国科学院国家天文台 绘图

　　研究团队基于欧洲空间局盖亚空间望远镜(Gaia)、中国郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，LAMOST)以及多个光谱巡天数据，分析了近千颗高速星及银河系百余个球状星团的轨道演化，发现编号为J0731+3717的高速星在约2000万年前，以接近550千米每秒的超高速度从球状星团 M15中被弹射。这一极高的弹射速度最可能源于“引力弹弓效应”，从而为球状星团 M15中心存在中等质量黑洞提供了有力的动力学证据。

　　黑洞领域这项重磅发现研究由中国科学院国家天文台/中国科学院大学黄样副教授联手同事和中国科学院云南天文台、北京大学等合作伙伴共同完成，相关成果论文已作为封面文章在最新一期学术期刊《国家科学评论》发表。

　　黄样表示，随着盖亚空间望远镜、郭守敬望远镜等地面大规模光谱巡天数据的不断积累，预计在不久的将来至少还能发现数颗J0731+3717一样从球状星团中弹射出来的高速星，这将极大推动对“神秘”中等质量黑洞的理解。

　　通过两种方式形成

　　在宇宙中，由大质量恒星死亡形成的恒星级黑洞(例如让霍金‘认赌服输’的天鹅座X-1)和存在于每个大型星系中心的超大质量黑洞(如银河系中心的Sgr A*)早已为人所知。然而，质量介于二者之间的中等质量黑洞通常被认为是恒星级黑洞成长为超大质量黑洞的关键中间环节，但目前只发现少数存在争议的候选体，也让这类黑洞究竟是否存在备受关注。

传统速度弥散曲线和脉冲星计时法(左)与高速星溯源轨道法(右)搜寻区域的对比。中国科学院国家天文台 供图

　　黄样指出，球状星团被认为是中等质量黑洞最理想的潜藏场所。由于球状星团中心极高的恒星密度，中等质量黑洞可以通过两种方式形成：一是恒星的反复并合形成一个(超)大质量恒星后，再塌缩成中等质量黑洞(快速模式)；二是一些恒星级小黑洞的反复并合，形成一个中等质量黑洞(慢速模式)。

　　过往研究引发质疑

　　早在21世纪初，科学家们就利用哈勃空间望远镜(HST)搭载的超高空间分辨率的太空望远镜影像摄谱仪对球状星团M15进行观测，并得出M15中心可能存在一个重达1700至3200倍太阳质量的中等质量黑洞，但该结果发表后引发诸多质疑，认为该观测范围内除中等质量黑洞外，还可能有数千颗致密星。

　　近年来，科学家利用哈勃空间望远镜历年来拍摄的500余幅图像，在半人马座欧米伽星团中发现7颗束缚的高速星。这一发现被解释为可能需要一个中等质量黑洞来束缚这些恒星，但同样面临无法排除为一群致密星的可能性。

　　如何找到有效的方法在距离球状星团中心尽可能近的位置探测中等质量黑洞，因此成为确定中等质量黑洞存在证据链的最后一环。

　　证据链的最后一环

　　为解决上述困境，研究团队提出利用中等质量黑洞可以撕开紧邻它们快速绕转密近双星的“引力弹弓效应”，来限制中心质量的集中范围。他们通过对盖亚空间望远镜、郭守敬望远镜等数据发现的近千颗高速星及银河系中百余个球状星团进行详细的轨道回溯，研究发现一颗高速星J0731+3717在约2000万年前以接近550千米每秒的超高速度从球状星团M15中弹射而出。同时，该高速星还有着与球状星团M15高度一致的化学丰度和年龄。

高速星J0731+3717与球状星团M15的轨道关联(a)、化学关联(b)与年龄关联(c)。中国科学院国家天文台 供图

　　黄样指出，自球状星团中弹射如此高速的恒星，就需要一个密近双星从数千个太阳质量的中等质量黑洞的一个天文单位附近经过时被强大的潮汐力撕开，一颗星被黑洞捕获，而另外一颗星则被高速弹出。这个独特的发现利用“引力弹弓效应”首次把数千个太阳质量限制在几个天文单位之内，不可能是数千个中子星/恒星级黑洞，而只能是一个黑洞，即M15中心确实存在一个中等质量黑洞。

　　因此，这项研究通过发现首颗因球状星团中“引力弹弓效应”弹射的高速星 J0731+3717，打通了中等质量黑洞存在证据链的最后一环。(完)