几十年来，天文学家追踪了质量是太阳数百万倍的黑洞，以及质量是太阳数十倍的黑洞。但是，介于这两个极端之间的黑洞一直难以捉摸。现在，天文学家在研究一个球状星团时，在其中心发现了这样一个黑洞，表明中等质量的黑洞可能隐藏在这些紧凑的恒星聚集体中。
主要研究作者，哈佛-史密森天体物理中心 (CfA) 的天文学家 Bülent Kiziltan，以及他的合著者 Holger Baumgardt（澳大利亚昆士兰大学）和 Abraham Loeb（同样来自 CfA）在 47 Tucanae 的中心发现了一个质量在 1,400 到 3,700 个太阳质量之间的黑洞，47 Tucanae 是南部天空中的一个球状星团，距离地球约 16,700 光年。
黑洞通常因物质落入时发出大量 X 射线而被发现。中等大小黑洞候选者已在星系中被发现；来自马里兰大学和 NASA 戈达德太空飞行中心的一个小组在 2015 年在另一个星系中发现了一个，总共有大约十几个物体。[宇宙中最奇异的黑洞]
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Kiziltan 和他的团队通过测量星团内脉冲星的运动发现了这个黑洞。他们发现了星团中心紧凑、巨大物体的明显迹象。对这些运动最可能的解释是黑洞。
“几十年来，人们一直期望 [在球状星团中] 存在中等质量的黑洞，”Kiziltan 告诉 Space.com。“但我们一直未能最终找到一个。”
理论家认为恒星质量的黑洞是由质量至少是太阳几十倍的恒星形成的。当它们的核燃料耗尽时，来自辐射的能量不足以将恒星的外层抵抗其巨大的引力。恒星坍塌，然后以超新星爆发的形式爆炸。（超新星的光芒可以超越它们所在的星系。）恒星的剩余部分然后缩小到一个微小的体积。一个 100 太阳质量的恒星，作为一个黑洞，半径约为 180 英里（290 公里）。前恒星的逃逸速度超过光速，从而形成黑洞，任何东西都无法从中逃脱。
天文学家面临的一个大问题是黑洞的种群看起来是什么样的。鉴于存在超大质量黑洞和恒星质量黑洞，应该存在质量介于两者之间的黑洞种群。但是似乎没有预期的那么多。球状星团的中心是古老恒星的聚集地，似乎是寻找黑洞的好地方，因为早期的研究表明它们可能在那里，根据这项新研究。[无处可逃：黑洞详解（信息图）]
问题是，只有当物质落入黑洞时，黑洞才是可见的。因此，研究人员需要另一种不依赖于接收无线电发射的方法。
这就是 Kiziltan 和他的同事决定研究栖息在球状星团中的脉冲星的原因。脉冲星是由质量小于形成黑洞的恒星形成的。在这些恒星变成超新星后，它们坍塌成中子星。
一些中子星快速旋转并沿着与其旋转轴偏移的线发射无线电波。这些被称为脉冲星。如果地球位于无线电波束扫过天空时的路径上，地球上的观测者就能看到它们。脉冲星的自转速率变化非常小，以至于它们是精确的计时器。它们的精度足以通过定时信号并寻找任何多普勒频移来测量脉冲星沿视线的运动。
Kiziltan 的小组跟踪了大约二十几个脉冲星的运动，并使用计算机模拟来模拟星团，以追踪他们的黑洞候选者。
“我们正在提出一种全新的球状星团研究方法，”Kiziltan 说。“这不仅是因为我们看到了黑洞的动力学特征，还包括如何在不靠得太近的情况下探测其附近的区域。”探测球状星团的中心通常很困难，因为恒星的密度使人们很难看到发生了什么。
马里兰大学天文学教授 Cole Miller 说，发现中等质量的黑洞引发了更多关于这些黑洞如何形成的问题，他研究黑洞的形成。“假设它是一个中等质量的黑洞，”他说。“它是如何到达那里的？”
“球状星团的逃逸速度很小，”他说。“所以恒星应该吹走所有的气体。”随着恒星老化，会产生一些气体，例如红巨星的恒星风。“但这些气体量远远不足以形成中等质量的黑洞。”
他补充说，这与星系中心的超大质量黑洞不同，因为人们会期望那里积累大量物质，为黑洞提供物质并使其快速增长。
Kiziltan 和 Cole 都表示，在星团历史的早期，有几种方法可以使黑洞增长。“我最喜欢的方法之一是恒星或恒星质量黑洞的失控碰撞，”Miller 说。“一个有趣的效果是，如果你在一片密集的恒星区域中有一堆恒星，最重的恒星将开始失控碰撞。”他说，一旦黑洞形成——可能是在一颗吸收了一些邻居的恒星死亡时——所有不在黑洞周围稳定轨道上的物质都会落入或被喷射出星团。这会自动阻止黑洞的增长。
Kiziltan 说，为了让科学家更好地了解这种黑洞如何在星团中形成，需要找到更多的黑洞——但这并不容易。它对 47 Tucanae 有效的唯一原因是它一开始就有足够的脉冲星，而且它们足够近，可以被看到。并非每个球状星团都具有合适的距离和明亮脉冲星的组合。
该研究发表在今天的《自然》杂志上（2 月 8 日）。
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