哈勃望远镜找到首个“失踪的黑洞”|半人马座|引力|恒星|球状星团|系外行星|黑洞

哈勃在球状星团「半人马座Ω」里，终于找到第一个失踪的黑洞

半人马座Ω（Omega Centauri）是夜空中最大、最壮观的球状星团，约 1000 万颗恒星被引力绑在一起。几十年来它一直让天文学家困惑：按理论，这里本该藏着成千上万个恒星质量黑洞，可就是找不到。

现在，天文学家挖出哈勃太空望远镜 20 多年的存档数据，再配合韦布空间望远镜的观测，在这个星团里确认了首个恒星质量黑洞。这一发现会帮助人们弄清楚，黑洞是怎么在球状星团这种拥挤环境里诞生的。

一个本该有、却一直找不到的黑洞群

球状星团是宇宙中最古老、恒星最密集的「恒星都市」。此前，天文学家已经借助哈勃发现半人马座Ω中心潜伏着一个中等质量黑洞的踪迹。而模型预言，这个星团里还应该散落着约 1 万个更小的恒星质量黑洞，也就是大质量恒星走到生命尽头、超新星爆发后留下的致密残骸。

可这么一大批黑洞，却长期躲过搜索。过去的研究要么用径向速度法，要么去找物质落入黑洞时发出的射电和 X 射线辐射，结果都无功而返。

换个思路：去量恒星的位置

这次团队换了思路，用的是天体测量（astrometry）：不靠恒星朝我们方向的运动，而是去精确测量它在天空上的横向位置怎么一点点挪动。

团队仔细梳理了 2002 年到 2023 年间哈勃的存档影像，再引入韦布的近红外数据进一步提高精度。最终，他们锁定了这样一颗恒星：它正在围绕一个看不见、却质量巨大的天体运行。这个天体如此沉重，唯一的可能就是黑洞。

这颗黑洞被命名为 oMEGACat BH-2，是半人马座Ω里第一颗被确认的恒星质量黑洞。它离我们约 1.8 万光年，就在这个星团拥挤的恒星堆里。

4.46 个太阳质量，比预期还轻

研究团队算出，这颗黑洞的质量约为 4.46 个太阳质量，而它那颗可见的伴星只有 0.78 个太阳质量。

「我们已经知道那颗恒星是 0.78 个太阳质量，现在算出了黑洞是 4.46 个太阳质量，因此太重，不可能是中子星。」论文合作者、犹他大学的 Anil Seth 说，「不过，它的质量实际上远低于在像半人马座Ω这样贫金属环境中所预期的值。这既令人意外，也令人兴奋。我们现在知道，贫金属恒星也能形成这样的黑洞，接下来要搞清楚它是怎么形成的。」

94 年绕一圈，已知周期最长的黑洞双星

凭借哈勃与韦布的高精度数据，团队得以描绘出这颗恒星 20 多年间的运行轨迹。运气很好，这段时间恰逢它最靠近黑洞、在天空上移动最快的阶段。

由此，团队测定：这颗可见恒星绕 oMEGACat BH-2 一圈需要约 94 年，是目前已知周期最长的黑洞双星系统。

漫长的轨道周期也透露了它的身世：这对组合很可能是动力学形成的，恒星和黑洞一开始并不在一起，是在星团拥挤的环境里偶然相遇、被彼此引力捕获才结成伴。

研究者算出，像 oMEGACat BH-2 这样的系统，用不了 10 亿年就会被附近恒星的扰动撕散，远短于星团本身约 120 亿年的高龄。

为什么要关心星团里的黑洞？

星团里的黑洞为什么值得费力气去找？因为这关系到我们怎么理解引力波。

「理解球状星团中的黑洞群体很重要，因为我们对其中的物理和形成过程还存在不确定性。」Seth 说，「更具体地说，弄清楚黑洞如何形成、又如何通过动力学结成双星，对我们解读和理解引力波事件至关重要。像半人马座Ω这样的环境，正是我们认为双星并合、产生引力波的主要场所。」

哈勃档案的二次丰收

「这项新发现凸显了哈勃太空望远镜档案的巨大传承价值。」负责本次哈勃与韦布数据处理的欧洲南方天文台博士后 Maximilian Häberle 说，「这是我们 oMEGACat 天体测量再分析的第二项突破，上一次是确认了半人马座Ω中心的中等质量黑洞。」

oMEGACat BH-2 是这批黑洞里露面的第一个。要把球状星团里剩下的黑洞都找出来，工作才刚开头。

这项研究已发表于《天体物理杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters），领衔作者为犹他大学的 Matthew Whitaker。