星團驚現大群小型黑洞

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球狀星團NGC 6397的哈勃照片

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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，因此被認爲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，分布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布，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，不可見的質量成分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。

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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布的研究，發現核心塌陷的球狀星團的中心似乎是小型黑洞的集合。」

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這份研究的主要作者美國宇航局（NASA）哈勃研究員王飛葛（Feige Wang，音譯）說：「宇宙誕生後形成的第一批恆星不可能在僅幾億年的時間就形成這樣大規模的黑洞。」


目前天文學主流認知的過程是，宇宙至少在誕生2億年後，才有能力誕生第一批巨型恆星，它們的質量大約在太陽的幾百倍到上千倍的規模。當這第一批恆星死亡的時候，有的直接坍塌成為黑洞，有的發生超新星爆炸後再變成黑洞，但是它們的規模很小，只有到宇宙的後期，通過星系或黑洞的各種合併過程，才產生大質量的黑洞。所以這次發現的J0313-1806位於如此早期的宇宙，而且有如此大的規模，讓天文學家感到震驚。


研究人員還發現，J0313-1806所在的星系當時正處於高產恆星的階段，誕生新星的速度是我們銀河系的200倍。


另外，這個類星體的能量還以高達光速20%的速度向外發散，也是不尋常的特點之一。「如此高速吹出的能量風，足以影響這個星系內誕生恆星的能力。」亞利桑那大學研究員楊金軼（Jinyi Yang，音譯）說。

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