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天文学家们想寻找巨型黑洞，结果捅了“黑洞窝”

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年03月10日 14:32

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编者按：当我们观看《星际穿越》，看到那个巨大的球形黑洞出现在屏幕上时，那种对于未知、对于一个神秘的巨大存在的惊叹感觉，相信大家犹存记忆。黑洞，这个夜空中无法用肉眼看到、却让我们充满好奇的存在，还有很多谜团等待揭晓。最近，一组天文学家在试图寻找巨型黑洞时，发现了我们的邻居——NCG6397星团的中心存在巨大质量的神秘存在。“它们”是什么，又和巨型黑洞的产生有着怎样的联系？让我们一探究竟。本文译自The New York Times，作者Dennis Overbye，原标题为“Hunting for a Giant Black Hole, Astronomers Found a Nest of Darkness”，希望对您有所启发。

一个看不见的巨大存在，和一群小型黑洞

近日，两名天文学家正试图寻找宇宙中的巨型黑洞。他们查遍了来自地球表面和上空最强大的天文望远镜的数据，希望能从中找到位于遥远球状星团NGC6397中的不可见巨型黑洞存在的线索。

结果，他们发现自己“捅了小黑洞的窝”，还一“捅”就是六十个：这些“小怪兽”像引擎般火力十足，挤在比我们的太阳系没大多少的空间里十分热闹，还把它们惊人的质量抛到星团的致密中心。

2月11日，来自巴黎天体物理研究所的爱德华多·维特拉尔和盖瑞·马蒙在《天文与天体物理学报》发表了针对哈勃望远镜和欧洲空间局的盖亚任务望远镜所获取数据的研究成果。

“我们找到了有力证据，证明在这个球形星团的致密中心部位，存在着看不见的巨型天体，”研究生身份的维特拉在空间望远镜研究所的一次新闻发布会上说到。“但我们也很吃惊地发现，这个巨型天体并不是点粒子那种形式。”

这个令人惊异的研究结果也给了天文学者们一个全新的视角，用以更细致地观测太阳系邻近这块热闹之地的内部形态结构。维特拉尔和马蒙的研究成果显示，这些星团可能是LIGO和Virgo这些天文望远镜近年来观测到的引力波的来源，星团可能由黑洞碰撞形成。

从小型黑洞到庞然大物的形成之谜

但这次发现也让人对于小型黑洞转化为巨型黑洞的假定过程产生新的疑问：这些只比太阳大几倍的黑洞，究竟是如何合并膨胀成为占据银河中心、能量波及遥远类星体的庞然大物的？

根据爱因斯坦的相对论所预测，黑洞引力巨大，甚至连光线都无法逃脱它。黑洞的存在曾经受到质疑，但如今天文学家普遍认为黑洞就像时空中的坑坑洼洼一样，遍布散落在宇宙之中，大部分质量只有太阳的几倍。星体死亡后内部坍塌，在燃尽自身的热核能后消失殆尽，形成了这些黑洞。

除此之外，在银河中心地带，也有质量在太阳上百万倍到上十亿倍的黑洞。银河的大小和中心黑洞的质量之间似乎存在着某种关联，但没人知道这些巨大的黑洞是怎么形成的。

其中一种观点认为，这些巨型质量黑洞来自于体积更小的恒星型黑洞。根据这种观点，在两者之间应该有中介质量黑洞——大概在太阳的百倍到千倍之间——飘浮在像NGC6397星团这样的小型星系或者星系碎片中。然而至今为止，这样的中介质量黑洞仍未现形。

NGC6397星团是环绕银河的古老星体所组成的150个球状星云之一，它很可能在银河诞生之前就已经存在了。NGC6397星团有130亿年历史，含25万颗星体。这些星体全都体积微小，悠久黯淡。其中一些在很久之前比较明亮、体积较大的星体已在燃烧中耗尽能量，伴随着黑洞或其他恒星产物的衰亡走向湮灭。

因此，NGC6397内部很有可能隐藏着中介质量黑洞。实际上，一些早期研究就表明，在NGC6397的中心位置存在着一个相当于600倍太阳质量的黑洞。

为了深入研究中型过渡黑洞问题，马蒙和他的学生对哈勃及盖亚任务望远镜获取的NGC6397内部单个星体的运动进行了高分辨率观测。星体运动越快，它们就需要越大的引力和质量在星团中维持自身。

研究人员总共评估了盖亚望远镜的日志中的1905颗星体，加上哈勃观测到的7209颗星体。结果显示，它们确实受到了星团中某个看不见的巨大质量体的引力影响。但这些星体并不是环绕单个中心点进行环绕，而是“各行其道”。由此可见，影响着星体的暗物质并非汇聚一处，而是四散延伸。而并无迹象表明，这个暗物质是一个巨型黑洞。

马蒙在一封邮件中提到，“整个星团（NGC6397）的星体运行轨道几乎可以说是随机的，而不是有秩序的圆环或者长椭圆。”

这些星体的运动方式表明了在NGC6397——这个星云中的星云当中——有三分之一光年宽广的地方，存在着相当于1800个太阳质量的暗物质。大约4000颗常见的明亮轻型星体共存于这片广阔的空间里。根据恒星演化模型，马蒙认为这片暗物质的三分之二应该是黑洞，其平均质量为20个太阳。剩下的推测是像白矮星和中子星这种星体死亡后留下的残骸。

“等待戈多”：中介质量黑洞的形成

天文学家说，尚不清楚接下来会发生怎样的变化。黑洞会在随机合并所产生的引力波中丧失质量，这样的结合还会导致一些黑洞被挤出星团之外。此外，引力交互还会让星团中质量次之的星体丧失运行速度，进而陷入星团中心部。这个过程称为“动摩擦”。

“这整个过程会在接下来数百万年里把小型黑洞逐渐牵引到星团中心地带去，在那里，它们将彼此合并，形成中介质量黑洞，”马蒙说到。

但马蒙同时指出，和NGC6397星团存在的130亿年时光比起来，数百万年完全不值一提。因此可以说，天文学家们在黑洞合并的这段特殊时期内刚好展开了对于星团的研究，这件事本身就可以说够走运了。现在不存在中介质量黑洞，可能意味着它永远都不会形成。小型黑洞向星团中心部位塌陷的过程也可能因为途中交换能量的星体过少而减弱。“这就会阻碍中介质量黑洞的形成，”马蒙认为。

维特拉补充说：“此次在中心坍塌球状星团中发现的不可见密集物质，会激发我们产生更多对于中介质量黑洞形成的看法！”