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原作：NASA Hubble Mission Team Goddard Space Flight Center
翻译：余梦洋
校译：钟艺
编排：江哲宇
后台：朱宸宇
原文链接：https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-hubble-discovers-first-of-star-clusters-missing-black-holes/
这张图像展示的是球状星团半人马座ω，无数恒星在漆黑的太空背景上闪耀着红、白、蓝等色彩。
数十年来，巨大的球状星团欧米伽半人马座星团（半人马座ω，Omega Centauri）一直令天文学家们困惑不已。理论上，这里应当聚集着大量由恒星爆炸后留下的恒星级黑洞，但科学家始终难以找到它们存在的证据。如今，借助美国国家航空航天局（NASA）哈勃空间望远镜的历史观测数据，以及詹姆斯·韦布空间望远镜的辅助观测，研究人员终于在该星团中首次确认了一颗恒星级黑洞。这一突破不仅揭开了“失踪黑洞”之谜的一角，也为理解欧米伽半人马座星团等致密恒星系统中的黑洞形成机制提供了重要线索。研究成果已于本周一发表在《天体物理学杂志快报》上。
半人马座ω由1000万颗引力束缚的恒星组成。尽管天文学界此前曾通过哈天文学界曾利用哈勃空间望远镜的观测证据，推测其中心潜伏着一个中等质量黑洞，但模型显示，这个星团还应该包含大约1万个更小的恒星级黑洞。如此数量庞大的黑洞在以往的观测研究中一直遁形无踪，这些研究要么采用视向速度法，要么搜寻物质落入黑洞时产生的射电和X射线辐射。
这项新发现另辟蹊径，利用天体测量方法，测量恒星随时间的极微小运动来寻找隐藏天体。通过梳理20多年的哈勃存档数据，并结合近期的韦布数据进一步精化天体测量，该团队找到了一颗恒星，它正绕着一个不可见的天体转动，而这个天体极其沉重，只可能是一个黑洞。它被命名为oMEGACat BH-2，是半人马座ω中探测到的首个恒星级黑洞，并且具有一些令人惊讶的特性。oMEGACat BH-2的质量低于预期，而且它与那颗可见的伴星一起，构成了迄今为止已知轨道周期最长的黑洞双星系统。
“借助哈勃和韦布的数据，我们能够看到这个双星系统中那颗可见主序星的运动，它位于半人马座ω致密的环境中，距我们约18000光年，”该论文的第一作者、盐湖城犹他大学的马修·惠特克说道。“这些测量的精度令人难以置信，达到了哈勃和韦布探测器上像素的几分之一。没有这两台空间望远镜，就不可能找到这个黑洞。”
天文学家发现了半人马座ω中的首个恒星级黑洞，其拥有一颗可见的伴星，图中展示了更多细节。他们使用了美国航空局哈勃空间望远镜20多年的数据和美国航空局詹姆斯·韦布空间望远镜的最新数据，才实现了这一发现。图片来源：欧洲航空局、美国航空局、马克西米利安·黑贝勒（MPIA）、约瑟夫·德帕斯夸莱（STScI）
该团队的发现修正了过去另一组科学家的研究，那项研究曾认为这个双星系统包含的是一颗中子星。通过将早期调查中的哈勃数据与2002年至2023年的哈勃天体测量存档数据相结合，并引入韦布近红外数据以提高精度，这支由犹他大学领导的团队得以更好地约束那颗可见恒星的暗伴星的质量，从而排除了中子星的可能性。
“虽然我们已经知道这颗恒星的质量为0.78个太阳质量，但我们现在可以计算出黑洞的质量为4.46个太阳质量，因此它太重了，不可能是中子星。然而，它的质量远低于在半人马座ω这样的低金属丰度环境中的预期值。这既令人惊讶又令人兴奋，”该研究的合著者、犹他大学的阿尼尔·塞思说。“我们现在知道，低金属丰度恒星能够形成这样的黑洞，而我们需要弄清楚这是如何发生的。这项探测为从事此类模型研究的人提供了一些数据。”
姗姗来迟
基于哈勃和韦布的精确数据，该团队绘制出了这颗恒星20多年来在天空中的运行轨迹，特别是在它最接近其黑洞伴星、横越天际速度最快时的路径。根据大量数据，研究团队确定这颗可见恒星每94年绕oMEGACat BH-2运行一圈，使其成为已知周期最长的黑洞双星系统。
它漫长的轨道周期也为这个双星系统的起源提供了线索。它很可能是通过动力学过程形成的，这意味着这颗恒星和它的黑洞伴星并非一同诞生，而是在这个星团中彼此相遇。研究人员计算得出，像oMEGACat BH-2这样的系统在被邻近恒星的交会作用撕裂之前，只能存活不到10亿年，这远短于该星团约120亿年的年龄。
“理解球状星团中的黑洞族群至关重要，因为关于它们的物理特性和形成过程仍存在诸多不确定性，”塞思说。“更具体地说，理解黑洞的形成过程以及它们随后如何通过动力学作用形成双星系统至关重要，因为这会影响我们解读和理解引力波事件的能力。像半人马座ω这样的环境，是我们认为双星并合并产生这些引力波的主要场所。”
该团队利用哈勃-韦布数据集发现的恒星级黑洞oMEGACat BH-2，仅仅是揭开球状星团中这群行踪不定的黑洞族群的开始。
“借助哈勃和韦布，我们可以继续观测半人马座ω，并拓展到在其他星团中搜寻类似的系统，”惠特克说。“我们还对美国航空局即将发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）兴奋不已，因为它将以类似哈勃的分辨率和远为宽广的视场，非常规律地对包括银心在内的拥挤的银河系核球区域进行成像。我们希望，凭借罗曼望远镜观测的规律性节奏，能够发现更多类似的黑洞双星系统。”
哈勃空间望远镜已运行三十余年，持续做出突破性发现，塑造了我们对宇宙的基本认知。哈勃是美国航空局与欧洲航空局国际合作的产物。美国航空局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理望远镜及其任务运行。总部位于丹佛的洛克希德·马丁航天公司也为戈达德的任務运行提供支持。位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所由大学天文研究协会运营，为美国航空局执行哈勃的科学任务。
责任编辑：DAIKIN
牧夫新媒体编辑部
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图片名称：坦普二号彗星的尘埃尾
图片来源：NASA
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