美国宇航局哈勃望远镜在地球附近寻找中等大小的黑洞

使用美国宇航局哈勃太空望远镜的天文学家们已经找到了他们所说的最好的证据，证明了一种罕见的“中等大小”黑洞的存在，它可能潜伏在离地球最近的球状星团的中心，位于6000光年之外。

就像空间结构中强烈的引力坑洞一样，几乎所有的黑洞似乎都有两种尺寸：小的和巨大的。据估计，我们的银河系中充斥着1亿个由爆炸的恒星产生的小黑洞（质量是太阳的几倍）。宇宙中充斥着超大质量的黑洞，其质量是太阳质量的几百万或几十亿倍，通常在星系的中心可以被发现。

一个长期寻找的缺失环节是中等质量的黑洞，其质量在100～100000个太阳质量之间。它们是如何形成的，它们会在哪里活动，以及为什么它们似乎如此罕见？

天文学家已经通过各种观测技术确定了其他可能的中等质量黑洞。其中两个最好的候选者——3XMM J215022.4-055108（哈勃在2020年帮助发现）和HLX-1（2009年发现），位于其他星系外围的密集星团中。这些可能的黑洞中每一个都有数万个太阳的质量，并且可能曾经位于矮星系的中心。美国宇航局的钱德拉X射线观测站也帮助发现了许多可能的中级黑洞，包括2018年的一个大型样本。

看看离家更近的地方，在围绕我们银河系的密集球状星团中已经探测到了许多疑似中等质量的黑洞。例如，在2008年，哈勃天文学家宣布在球状星团Omega Centauri中怀疑存在一个中等质量的黑洞。由于一些原因，包括需要更多的数据，这些和其他中等质量黑洞的发现仍然是不确定的，并不排除其他理论的存在。

现在，哈勃的独特能力已经被用来锁定球状星团Messier 4（M4）的核心，以比以前的搜索更高的精度去猎取黑洞。2023年5月23日发表在《皇家天文学会月刊》上的一篇论文的主要作者、马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的爱德华多-维特拉尔说：“没有哈勃，你就无法推进这种科学。”

Vitral的团队检测到了一个可能的中等质量黑洞，大约有800个太阳质量。这个被怀疑的天体是肉眼看不到的，但是它的质量是通过研究陷入其引力场的恒星的运动来计算的，就像蜜蜂在蜂巢周围蜂拥而至。测量它们的运动需要时间，也需要足够的精度。这就是哈勃完成而现今其他望远镜不能做到的原因，天文学家们可以查看哈勃长达12年的M4观测数据。

他的团队估计，M4中的黑洞可能是我们太阳质量的800倍之多。哈勃的数据倾向于排除这个物体的其他理论，例如一个由中子星等未确认的恒星残余物组成的紧凑的中央星团，或者较小的黑洞相互旋转。

“我们有很好的信心，我们有一个非常小的区域，有很多集中的质量。它比我们之前在其他球状星团中发现的最密集的暗质量要小三倍左右，”维特拉尔说，“当我们考虑到黑洞、中子星和白矮星的集合被隔离在球状星团的中心时，这个区域比我们用数值模拟所能再现的更加紧凑。它们不能够形成如此紧凑的质量集中。”

一组紧密结合的天体在动力学上将是不稳定的。如果这个天体不是一个单一的中等质量的黑洞，那么估计需要40个较小的黑洞挤在一个只有十分之一光年宽的空间里，才能产生观察到的恒星运动。其后果是，它们将在星际“弹球游戏”中合并或被弹出。

“我们测量恒星的运动和它们的位置，应用物理模型试图再现这些运动。我们最终测量出星团中心的暗物质延伸，”维特拉尔说，“离中心质量越近，恒星的运动就越随机。而且，中心质量越大，这些恒星的速度就越快。”

由于球状星团中的中等质量黑洞一直难以捉摸，维特拉尔说：“虽然我们不能完全肯定它是一个引力中心点，但我们可以证明它非常小。它太小了，除了它是一个单一的黑洞之外，我们无法解释。另外，可能有一个我们根本不知道的恒星机制，至少在目前的物理学范围内”。