7800光年外發現一個黑洞巢穴:20多個黑洞擠一起,向外噴射物質

如果說星云是宇宙中恒星的幼兒園,那麼球狀星團就是恒星的養老院——數以萬計的、幾乎與宇宙一樣古老的恒星緊密聚集在一起,訴說著過往的輝煌。但就像星云可以告訴我們年輕恒星如何形成一樣,球狀星團可以告訴我們老恒星如何演化和老化——這有時會以一顆更老的、大質量的恒星坍縮成黑洞而告終。

發表在《皇家天文學會月刊》上的一項研究稱,在球狀星團「NGC 6397」中心尋找中等質量黑洞的天文學家發現了一些他們沒有預料到的東西: 20多個較小的黑洞擠在一個幾乎和太陽系一樣大的空間里,不斷在其四周噴射物質

球狀星團NGC 6397,幾乎和宇宙一樣古老!

球狀星團NGC 6397 看起來像一個非常普通的球狀星團。它不是特別大或特別亮,它的星光也不會讓任何人感到奇怪。然而,它一直是一個重要的天文實驗室,幫助天文學家確定星系的年齡,以及恒星的最小「重量」。

球狀星團NGC 6397,位于天壇座(Ara),距離地球僅7800光年,是同類中距離地球最近的星團之一。根據哈勃太空望遠鏡幾十年來的探測數據分析,球狀星團NGC 6397的直徑約幾十光年,包含大約 25萬 顆恒星,其中這些恒星的年齡(基于進化模型)大約為134億年。這意味著 NGC 6397以及它的母星系銀河系,在宇宙只有大約 4 億年的歷史時就形成了。

由于球狀星團包含宇宙中最大和最古老的、小而暗淡的恒星,它們應該是恒星質量黑洞的主要聚集地。正如愛因斯坦的廣義相對論所預測的那樣,黑洞是具有強大引力的物體,甚至連光都無法逃脫。它們的存在一度受到質疑,但天文學家現在一致認為,宇宙中到處都是它們,就像時空中的坑洼。大多數是死亡的恒星星,它們在燃燒完所有燃料后自行坍縮并消失,質量只有太陽的幾倍。

但是應該還有其他黑洞,其質量為數百萬或數十億個太陽,位于星系的中心。星系的大小與其中心黑洞的質量之間似乎存在相關性,但沒有人知道為什麼或如何形成如此大的黑洞。

一種想法是,這些超大質量黑洞是從較小的、恒星大小的黑洞形成的,在這種情況下,應該有中等質量的黑洞(intermediate-mass black hole,簡稱IMBH——質量為數百或十萬個太陽,漂浮著在較小星系或球狀星團的核心。但到目前為止,這些中等質量黑洞只存在理論上且有爭議。

球狀星團中心是黑洞的巢穴?

為了研究這個想法,巴黎天體物理研究所的天文學家維特拉爾(Eduardo Vitral)和馬蒙(Gary A. Mamon)使用哈勃太空望遠鏡和歐洲航天局蓋亞航天器對NGC 6397的恒星運動的進行高分辨率觀測。通常情況下,恒星移動得越快,引力就越大,因此必須存在更大質量的天體以將它們保持在星團中。

他們一共研究評估了來自蓋亞星表的 1905 顆恒星和來自哈勃的 7209 顆恒星。事實證實,它們確實受到了「看不見」物質的引力影響。但是,恒星并沒有緊緊地圍繞著一個點,而是向各個方向移動,這表明影響它們的引力不是集中的,而是擴展的。換句話說,這里不存在一個巨大黑洞的跡象。

另外恒星的運動表明,無形物質的質量相當于1800 個太陽,分布在一個約三分之一光年寬的區域,影響著大約 40000 顆普通、明亮但非常輕的恒星。根據恒星演化模型,這些無形物質有三分之二是黑洞,應該存在超過 20個質量為20 個太陽質量的黑洞,其余的應該是恒星死亡的殘骸,例如白矮星或中子星。換而言之,球狀星團NGC 6397的中心區域有一群黑洞在吞噬物質。

至于接下來會發生什麼尚不清楚。一方面是黑洞之間的隨機合并可能會將一些推出球狀星團。另一方面在一個稱為「動力摩擦」的過程中,引力相互作用將黑洞帶到星團的中心,在那里它們合并成一個中等質量黑洞。不過這個過程可能需要幾百萬年的時間,但與星團存在的134億年相比,太微不足道了。

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