巨大的球状星团半人马座欧米伽星团（Omega Centauri）数十年来一直困扰着天文学家。它本应遍布恒星爆炸后留下的黑洞，但相关证据却十分稀少。如今，天文学家利用NASA哈勃太空望远镜的档案数据以及NASA詹姆斯·韦布太空望远镜的辅助观测，终于在该星团中定位了首个恒星级黑洞。找到这群“失踪”黑洞中的第一个，将有助于完善当前关于欧米伽星团等环境中黑洞形成的理论。该团队的发现已发表在《天体物理学杂志快报》上。
半人马座欧米伽星团由1000万颗靠引力聚在一起的恒星组成。尽管天文学界此前利用哈勃望远镜发现了证据，表明其中心藏着一个中等质量黑洞，但模型显示该星团还应包含约10000个更小的恒星级黑洞。这一庞大的黑洞群体在以往的观测研究中一直没被发现，那些研究使用的是径向速度法，或寻找物质落入黑洞时产生的射电和X射线辐射。
一种不同的探测方法
这项新研究采用了一种不同的方法——天体测量学，来测量恒星随时间推移的微小运动。通过仔细梳理哈勃望远镜20多年的档案数据，并引入韦布望远镜的近期数据来提高天体测量的精度，该团队找到了一颗恒星，它围绕着一个看不见的天体运行，那个天体质量大得只可能是黑洞。这个黑洞被命名为oMEGACat BH-2，是半人马座欧米伽星团中探测到的首个恒星级黑洞，它有一些出人意料的特点。oMEGACat BH-2的质量低于预期，而且它和那颗可见的伴星组成的双星系统，拥有迄今为止已知黑洞双星系统中最长的轨道周期。
“借助哈勃和韦布的数据，我们才能看到这个双星系统中那颗可见主序星的运动，它距离我们大约一万八千光年，位于半人马座ω那个密集的星团环境里，”该论文的第一作者、犹他大学盐湖城分校的马修·惠特克说。“这些测量的精度简直不可思议，能精确到哈勃和韦布探测器上不到一个像素。要是没有这两台太空望远镜，根本不可能发现这个黑洞。”
排除中子星的可能性
这个团队的发现修正了之前另一个科学家小组的结论，他们曾认为这个双星系统里有一颗中子星。他们把早期研究中的哈勃数据扩展到了2002年至2023年的哈勃档案天体测量数据，又引入了韦布的近红外数据来提高精度，这支由犹他大学领导的团队才能更准确地推算这颗可见恒星那个暗伴星的质量，从而排除了中子星的可能。
“虽然我们早就知道这颗恒星的质量是0.78个太阳质量，但我们现在可以计算出黑洞的质量，也就是4.46个太阳质量，这个质量太重了，不可能是中子星。但它的质量远低于像半人马座ω这种贫金属环境里应该有的水平。这太让人惊讶了，也很让人兴奋，”该研究的合著者、犹他大学的阿尼尔·塞思说。“我们现在知道了，一颗贫金属恒星也能形成这样的黑洞，我们得搞清楚这是怎么发生的。这次探测也给那些做这类建模的人提供了一些数据。”
异常宽阔的配对
基于哈勃和韦伯望远镜提供的精确数据，研究团队得以追踪了这颗恒星20多年的运行轨迹，包括它最靠近黑洞伴星的那段过程——那时它在天空中的移动速度最快。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运行一周，这也是目前已知轨道周期最长的黑洞双星系统。
其漫长的轨道周期也为这一双星系统的起源提供了线索。它很可能是在星团中通过天体间的相互作用形成的，这意味着这颗恒星及其黑洞伴星并非一开始就在一起，而是在这个星团里碰到了一起。研究人员计算出，像oMEGACat BH-2这样的系统在被附近恒星的引力作用撕散之前，存活时间不到十亿年，这个时间跨度远比星团本身的年龄（约120亿年）短得多。
未来黑洞搜寻的线索
“了解球状星团中黑洞的数量和分布非常重要，因为它们的物理机制和形成过程还有很多不确定的地方，”塞思说。“更具体地说，理解黑洞怎么形成、双星系统又怎么通过动力学过程形成，这非常关键，因为这直接影响我们解读和理解引力波事件的能力。像半人马座ω这样的星团，正是我们认为双星系统会发生合并并产生引力波的主要地方。”
该团队利用哈勃-韦布数据集发现恒星级黑洞oMEGACat BH-2，这只是寻找球状星团中这类难以捉摸的黑洞的开端。
“借助哈勃和韦布，我们可以继续研究半人马座ω，并把搜索范围扩大到其他星团中类似的系统，”惠特克说。“NASA的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜即将发射，我们也非常期待，因为它将定期以与哈勃相当的分辨率和更广阔的视场对恒星密集的银河核球（包括银河系中心）进行成像。得益于罗曼望远镜规律的观测节奏，我们希望能找到类似这样的黑洞双星系统。”
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