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我们知道，大质量恒星在经历超新星爆发后，如果残余核心的质量大于托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限（约为太阳质量的2.5～4倍），便还会形成黑洞。而在茫茫宇宙中，科学家已经发现了不少超大质量黑洞了。那么，恒星残骸是怎么发展成超大质量黑洞的？德国马普学会等科研机构联合发布的一项新发现，或许能帮助我们找到这个问题的答案。
文 | 闻静
视觉设计 | 李梅
黑洞质量的范围很大，小型黑洞（恒星质量黑洞）的质量约为太阳质量的5～150倍，而超大质量黑洞的质量可为太阳质量的105倍以上。宇宙中绝大多数星系中心都有超大质量黑洞，但很少有证据能证明宇宙中存在质量约为太阳质量的150～105倍的中等质量黑洞。
研究中等质量黑洞，确定它们的数量，对我们了解早期宇宙中超大质量黑洞的形成过程非常重要。7月10日，德国马克斯·普朗克天文研究所、美国犹他大学物理与天文学系等科研机构的国际团队在《自然》（Nature）杂志上发文，声称找到了半人马座ω星团中心存在中等质量黑洞的确切证据。
半人马座ω，又称NGC 5139，是银河系内已知最大的球状星团。此前也有研究声称在半人马座ω中心存在中等质量黑洞，但是由于缺乏足够的证据（例如，没有观察到以高于逃逸速度的速度高速移动的恒星；没有排除恒星质量黑洞的影响），这些研究备受质疑。
在这项新研究中，科学家分析了半人马座ω中心区域的恒星运动情况，发现了7颗恒星的移动速度明显高于星团中心的预期逃逸速度。
逃逸速度是指物体永久地逃离一个天体引力场所需的最小速度。如果半人马座ω的中心不存在大质量物体，那么，这些恒星以这样的速度运行，将在不到1000年的时间内离开半人马座ω的中心区域，并最终逃离星团。
这显然是不符合常理的，因此，科学家推断在半人马座ω的中心有一个中等质量黑洞。并且，根据星团中心7颗快速移动的恒星的速度，科学家推断这个黑洞的质量至少为太阳质量的8200倍。
为什么罕见的中等质量黑洞会存在半人马座ω中心？为什么此前在证据不足的情况下，就有科学家推断这里可能有中等质量黑洞？要回答这些问题，就要说到半人马座ω的另一个特别之处。
半人马座ω曾是一个独立星系的核心。之后，这个星系与银河系合并，并失去了除核心区域的恒星外所有的恒星。于是，这个星系剩下的核心（即半人马座ω）便停止了生长，不会有进一步的合并，中心的黑洞也无法增长。于是，科学家便期待在这里能有所发现，以弥补低质量黑洞和超大质量黑洞之间的空白。
在新研究中，科学家根据哈勃太空望远镜在20年间拍下的500多张图像，测量了140万颗恒星的速度，大海捞针般地找到了这关键的7颗恒星。科学家在这项新研究中采取的分析方法，为日后探测更多的中等质量黑洞提供了范例。
另外，詹姆斯·韦布空间望远镜可以测量高速恒星朝向或远离地球的运动；欧洲南方天文台甚大望远镜的GRAVITY干涉仪以及极大望远镜的MICADO相机，在定位恒星位置方面都可以比哈勃望远镜做得更好。利用这些仪器，科学家在未来甚至可以观察到恒星是如何加速的，这无疑为探测中等质量黑洞提供了更好的条件。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07511-z#Abs1
https://www.mpia.de/news/science/2024-10-omega-cen-imbh
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/missing-link-black-hole/
