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)有爭議的中等質(zhì)量候選體，介于恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞之間的黑洞中等質(zhì)量黑洞是否存在，長期以來一直困擾著天文學(xué)家。存中
研究發(fā)現(xiàn)直接證據(jù)
中國科學(xué)院國家天文臺2月21日發(fā)布消息說，國天該臺研究人員領(lǐng)銜多家科研機(jī)構(gòu)合作團(tuán)隊(duì)，文學(xué)通過搜尋因“引力彈弓效應(yīng)”(希爾機(jī)制)從球狀星團(tuán)中被彈射的家研究發(fā)接證據(jù)高速星，最新研究發(fā)現(xiàn)“隱匿”已久的現(xiàn)直中等質(zhì)量黑洞存在的直接證據(jù)。
來自球狀星團(tuán)的中等質(zhì)量逃逸之星：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。中國科學(xué)院國家天文臺 繪圖研究團(tuán)隊(duì)基于歐洲空間局蓋亞空間望遠(yuǎn)鏡(Gaia)、黑洞中國郭守敬望遠(yuǎn)鏡(大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，存中LAMOST)以及多個光譜巡天數(shù)據(jù)，國天分析了近千顆高速星及銀河系百余個球狀星團(tuán)的文學(xué)軌道演化，發(fā)現(xiàn)編號為J0731+3717的家研究發(fā)接證據(jù)高速星在約2000萬年前，以接近550千米每秒的現(xiàn)直超高速度從球狀星團(tuán) M15中被彈射。這一極高的中等質(zhì)量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)研究由中國科學(xué)院國家天文臺/中國科學(xué)院大學(xué)黃樣副教授聯(lián)手同事和中國科學(xué)院云南天文臺、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《國家科學(xué)評論》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)中彈射出來的高速星，這將極大推動對“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黑洞(例如讓霍金‘認(rèn)賭服輸’的天鵝座X-1)和存在于每個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)為是恒星級黑洞成長為超大質(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)時法(左)與高速星溯源軌道法(右)搜尋區(qū)域的對比。中國科學(xué)院國家天文臺 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(超)大質(zhì)量恒星后，再塌縮成中等質(zhì)量黑洞(快速模式)；二是一些恒星級小黑洞的反復(fù)并合，形成一個中等質(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)鏡影像攝譜儀對球狀星團(tuán)M15進(jìn)行觀測，并得出M15中心可能存在一個重達(dá)1700至3200倍太陽質(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，科學(xué)家利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡歷年來拍攝的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中等質(zhì)量黑洞來束縛這些恒星，但同樣面臨無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)”，來限制中心質(zhì)量的集中范圍。他們通過對蓋亞空間望遠(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，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)。中國科學(xué)院國家天文臺 供圖黃樣指出，自球狀星團(tuán)中彈射如此高速的恒星，就需要一個密近雙星從數(shù)千個太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞的一個天文單位附近經(jīng)過時被強(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彈出。這個獨(dú)特的發(fā)現(xiàn)利用“引力彈弓效應(yīng)”首次把數(shù)千個太陽質(zhì)量限制在幾個天文單位之內(nèi)，不可能是數(shù)千個中子星/恒星級黑洞，而只能是一個黑洞，即M15中心確實(shí)存在一個中等質(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)