幾十年來，天文學家追蹤了質量是太陽數百萬倍的黑洞，以及質量是太陽數十倍的黑洞。但是，介於這兩個極端之間的黑洞一直難以捉摸。現在，天文學家在研究一個球狀星團時，在其中心發現了這樣一個黑洞，表明中等質量的黑洞可能隱藏在這些緊湊的恆星聚集體中。
主要研究作者，哈佛-史密森天體物理中心 (CfA) 的天文學家 Bülent Kiziltan，以及他的合著者 Holger Baumgardt（澳大利亞昆士蘭大學）和 Abraham Loeb（同樣來自 CfA）在 47 Tucanae 的中心發現了一個質量在 1,400 到 3,700 個太陽質量之間的黑洞，47 Tucanae 是南部天空中的一個球狀星團，距離地球約 16,700 光年。
黑洞通常因物質落入時發出大量 X 射線而被發現。中等大小黑洞候選者已在星系中被發現；來自馬里蘭大學和 NASA 戈達德太空飛行中心的一個小組在 2015 年在另一個星系中發現了一個，總共有大約十幾個物體。[宇宙中最奇異的黑洞]
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Kiziltan 和他的團隊透過測量星團內脈衝星的運動發現了這個黑洞。他們發現了星團中心緊湊、巨大物體的明顯跡象。對這些運動最可能的解釋是黑洞。
“幾十年來，人們一直期望 [在球狀星團中] 存在中等質量的黑洞，”Kiziltan 告訴 Space.com。“但我們一直未能最終找到一個。”
理論家認為恆星質量的黑洞是由質量至少是太陽幾十倍的恆星形成的。當它們的核燃料耗盡時，來自輻射的能量不足以將恆星的外層抵抗其巨大的引力。恆星坍塌，然後以超新星爆發的形式爆炸。（超新星的光芒可以超越它們所在的星系。）恆星的剩餘部分然後縮小到一個微小的體積。一個 100 太陽質量的恆星，作為一個黑洞，半徑約為 180 英里（290 公里）。前恆星的逃逸速度超過光速，從而形成黑洞，任何東西都無法從中逃脫。
天文學家面臨的一個大問題是黑洞的種群看起來是什麼樣的。鑑於存在超大質量黑洞和恆星質量黑洞，應該存在質量介於兩者之間的黑洞種群。但是似乎沒有預期的那麼多。球狀星團的中心是古老恆星的聚集地，似乎是尋找黑洞的好地方，因為早期的研究表明它們可能在那裡，根據這項新研究。[無處可逃：黑洞詳解（資訊圖）]
問題是，只有當物質落入黑洞時，黑洞才是可見的。因此，研究人員需要另一種不依賴於接收無線電發射的方法。
這就是 Kiziltan 和他的同事決定研究棲息在球狀星團中的脈衝星的原因。脈衝星是由質量小於形成黑洞的恆星形成的。在這些恆星變成超新星後，它們坍塌成中子星。
一些中子星快速旋轉並沿著與其旋轉軸偏移的線發射無線電波。這些被稱為脈衝星。如果地球位於無線電波束掃過天空時的路徑上，地球上的觀測者就能看到它們。脈衝星的自轉速率變化非常小，以至於它們是精確的計時器。它們的精度足以透過定時訊號並尋找任何多普勒頻移來測量脈衝星沿視線的運動。
Kiziltan 的小組跟蹤了大約二十幾個脈衝星的運動，並使用計算機模擬來模擬星團，以追蹤他們的黑洞候選者。
“我們正在提出一種全新的球狀星團研究方法，”Kiziltan 說。“這不僅是因為我們看到了黑洞的動力學特徵，還包括如何在不靠得太近的情況下探測其附近的區域。”探測球狀星團的中心通常很困難，因為恆星的密度使人們很難看到發生了什麼。
馬里蘭大學天文學教授 Cole Miller 說，發現中等質量的黑洞引發了更多關於這些黑洞如何形成的問題，他研究黑洞的形成。“假設它是一箇中等質量的黑洞，”他說。“它是如何到達那裡的？”
“球狀星團的逃逸速度很小，”他說。“所以恆星應該吹走所有的氣體。”隨著恆星老化，會產生一些氣體，例如紅巨星的恆星風。“但這些氣體量遠遠不足以形成中等質量的黑洞。”
他補充說，這與星系中心的超大質量黑洞不同，因為人們會期望那裡積累大量物質，為黑洞提供物質並使其快速增長。
Kiziltan 和 Cole 都表示，在星團歷史的早期，有幾種方法可以使黑洞增長。“我最喜歡的方法之一是恆星或恆星質量黑洞的失控碰撞，”Miller 說。“一個有趣的效果是，如果你在一片密集的恆星區域中有一堆恆星，最重的恆星將開始失控碰撞。”他說，一旦黑洞形成——可能是在一顆吸收了一些鄰居的恆星死亡時——所有不在黑洞周圍穩定軌道上的物質都會落入或被噴射出星團。這會自動阻止黑洞的增長。
Kiziltan 說，為了讓科學家更好地瞭解這種黑洞如何在星團中形成，需要找到更多的黑洞——但這並不容易。它對 47 Tucanae 有效的唯一原因是它一開始就有足夠的脈衝星，而且它們足夠近，可以被看到。並非每個球狀星團都具有合適的距離和明亮脈衝星的組合。
該研究發表在今天的《自然》雜誌上（2 月 8 日）。
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