最近,天文學家在球狀星團NGC 6397的中心發現了意料之外的奇異現象:星團中心隱藏著一大群小型黑洞。

球狀星團是非常密集的恆星系統,這種恆星系統一般年齡很大。比如這個球狀星團NGC 6397年齡幾乎與宇宙年齡相當。

這個星團位於距離地球7,800光年的地方,是距離地球最近的球形星團之一。由於它的中心非常緻密,因此被認為屬於核心塌陷的星團。

起初,天文學家認為球狀星團中心存在一個中等質量的黑洞。這種中型黑洞是介於星系核心的超大質量黑洞(高達太陽質量的數百萬倍)與恆星坍縮形成的恆星質量黑洞(質量是太陽質量的數倍)之間的黑洞。它們是否存在一直是天文學界長期爭論的問題。迄今為止,只有少數可能的中型黑洞被確定。

「我們發現了非常有力的證據表明球狀星團的中心有一團看不見的質量。但是我們驚訝地發現,這個看不見的質量不是『點狀』(比如孤立的較大質量黑洞),而是離散的,分佈在一塊占星團大小百分之幾的區域內。」法國巴黎天體物理學研究所(IAP)的愛德華多‧維特拉爾(Eduardo Vitral)說。

為了分析這團看不見的隱藏質量,研究團隊使用星團中的恆星速度來確定其總質量的分佈,也就是可見恆星、暗淡的恆星以及黑洞中的質量。在某個區域質量越大,恆星繞其運動的速度就越快。

研究團隊使用先前對恆星在夜空徑向運動的估計,從而確定了恆星在星團內的真實速度。

這些對星團核心恆星的精確測量只能通過哈勃望遠鏡(Hubble Telescope)進行數年的觀測。

哈勃望遠鏡的數據被添加到蓋亞望遠鏡(Gaia Mission)提供的經過校準的徑向運動的觀測數據中,這些數據精確度低於哈勃望遠鏡的觀測結果。

「我們的分析表明,在整個球狀星團中,恆星的軌道幾乎是隨機的,而不是系統的呈圓形或非常細長的軌道。」IAP的研究員加利‧馬蒙(Gary Mamon)解釋說。

研究團隊得出結論,鑑於其質量、範圍和位置,不可見的質量成份只可能由大質量恆星的殘留物(例如白矮星、中子星和黑洞)組成。在與附近較小質量的恆星發生引力相互作用後,這些恆星屍體逐漸沉入星團的中心。

這種星體之間的彈球遊戲稱為「動摩擦」,通過交換動量,較重的恆星被隔離在星團的核心中,而低質量的恆星則遷移到星團的外圍。

「我們使用恆星演化理論得出的結論是,我們發現的大多數質量都是黑洞形式的。」馬蒙說。

最近的另外兩項研究也提出,恆星殘留物,尤其是恆星質量的黑洞,可能會填充球狀星團的內部區域。維特拉爾補充說:「我們是第一個提供質量和分佈的研究,發現核心塌陷的球狀星團的中心似乎是小型黑洞的集合。」

天文學家還注意到,這一發現提出了這樣的可能性,即這些緊密堆積的球狀星團中黑洞的合併可能是引力波的重要來源。引力波是時空本身的波動,可以被引力波天文台觀測到。

這項新研究發表在2021年2月11日的《天文與天體物理》期刊上。#