天文学家发现距离地球最近的大质量黑洞，这是大质量黑洞形成过程中缺失的一环
半人马座欧米伽星团中新发现的快速移动恒星为星团中心存在黑洞提供了确凿证据。它的质量至少为 8,200 倍太阳质量，是天文学家长期以来认为存在的一类黑洞的最佳候选者：中等质量黑洞，形成于星系演化的早期阶段。这一发现进一步证实了半人马座欧米茄星系是数十亿年前被银河系吞噬的星系的核心区域。由于失去了外层恒星，该星系核自那时起就一直处于“时间冻结”状态。这项研究发表在《自然》杂志上。
半人马座欧米茄星团是一个由约 1000 万颗恒星组成的壮观星团，在南纬地区夜空中可见，就像一个污点。通过小型望远镜，它看起来与其他所谓的球状星团没什么不同：一个球形的恒星群，中心密度如此之大，以至于无法区分单个恒星。
但现在，由马克斯·普朗克天文研究所的马克西米利安·哈伯勒 (Maximilian Häberle) 领导的一项新研究证实了天文学家们一段时间以来的猜测：半人马座ω星包含一个中心黑洞。
黑洞似乎是恒星和超大质量黑洞之间的“缺失环节”：它处于演化的中间阶段，质量比星系中心的典型黑洞小得多。半人马座欧米茄似乎是一个小的独立星系的核心，当银河系吞噬它时，它的演化就被中断了。
黑洞质量范围
在天文学中，黑洞的质量范围各不相同。恒星黑洞的质量介于一至几十个太阳质量之间，这是众所周知的，超大质量黑洞的质量为数百万甚至数十亿个太阳质量。
我们目前的星系演化图景认为，最早的星系应该有中等大小的中心黑洞，随着星系的演化，黑洞会随着时间而增长，吞噬较小的星系（就像我们的银河系一样）或与较大的星系合并。
众所周知，这种中等大小的黑洞很难找到。像我们银河系这样的星系早已超越了中间阶段，现在拥有更大的中心黑洞。
一直很小的星系（“矮星系”）通常很难观测。利用现有的技术，观测其中心区域并探测到中心黑洞极具挑战性。虽然有希望的候选者，但迄今为止尚未确定探测到这种中等质量黑洞。
时间冻结的星系（核心）
这就是半人马座欧米茄星系的特别之处。如果它曾经是一个独立星系的核心，然后与银河系合并，并在合并过程中失去了除中心恒星之外的所有恒星，那么剩下的星系核心及其中心黑洞将“冻结在时间中”：不会再发生合并，中心黑洞也无法生长。
该黑洞将保留半人马座欧米茄星被银河系吞噬时的大小，这让我们得以一窥早期低质量黑洞与后来的超大质量黑洞之间缺失的环节。
为了验证这一假设，必须真正探测到半人马座欧米茄星团中心的黑洞，而天文学家至今尚未找到确切的探测结果。虽然有来自星团中恒星运动的大型模型的证据，但这些证据留下了疑问：也许根本没有中心黑洞。
档案大海捞针
2019 年，马克斯·普朗克天文研究所的研究小组负责人纳丁·诺伊迈尔 (Nadine Neumayer) 和犹他大学的阿尼尔·塞思 (Anil Seth) 设计了一个研究项目，旨在更好地了解半人马座欧米茄星的形成历史，他们意识到这是一个一劳永逸地解决该星团中心黑洞问题的机会：如果他们能够识别出半人马座欧米茄星中心黑洞周围预计的快速移动恒星，这将是确凿的确凿证据，同时也可以成为一种测量黑洞质量的方法。
这项艰巨的搜寻任务落到了马克斯-普朗克天文研究所博士生马克西米利安·哈伯勒的肩上。哈伯勒领导了一项工作，即创建一份庞大的半人马座欧米茄恒星运动目录，通过研究哈勃拍摄的 500 多张星团图像，测量了 140 万颗恒星的速度。这些图像大部分是为了校准哈勃仪器而拍摄的，而不是为了科学用途。但由于这些图像是半人马座欧米茄的重复视图，它们成为了团队研究工作的理想数据集。
哈伯勒说：“寻找高速恒星并记录它们的运动就像大海捞针。”但最终，哈伯勒不仅拥有迄今为止最完整的半人马座欧米茄恒星运动目录（发表在另一篇文章中）。他还在档案大海中找到了不止一根而是七根针：七颗位于半人马座欧米茄中心一小块区域中的快速移动恒星。
发现黑洞
这些快速移动的恒星之所以速度快，是因为附近有一个聚集的质量。对于单个恒星，我们无法判断它的速度快是因为中心质量大，还是因为恒星离中心质量很近——或者恒星只是直线飞行，看不到任何质量。
但七颗这样的恒星，它们的速度和运动方向各不相同，这使得 Häberle 和他的同事能够区分不同的影响，并确定半人马座欧米茄星有一个中心质量，其质量至少为 8,200 个太阳。图像没有显示推断的中心质量位置有任何可见物体，正如人们所预料的那样，这是一个黑洞。
更广泛的分析不仅让哈伯勒能够精确地确定七颗高速恒星的速度，还缩小了中心区域的位置，该区域的直径为三个光月（在图像上为三角秒），位于半人马座欧米茄星内。
此外，分析结果还提供了统计依据：图像中的单颗高速恒星甚至可能不属于半人马座欧米茄星。它可能是星团外的一颗恒星，偶然从半人马座欧米茄星中心的正后方或前方经过。另一方面，观测到七颗这样的恒星不可能是纯粹的巧合，除了黑洞之外没有其他解释的余地。
终于出现了中等质量黑洞
Neumayer 表示：“之前的研究提出了一些关键问题，比如‘高速恒星在哪里？’现在我们找到了答案，并确认半人马座欧米茄星上有一个中等质量黑洞。它距离我们约 18,000 光年，是已知距离最近的大质量黑洞。”
银河系中心的超大质量黑洞距离我们约 27,000 光年。这次发现不仅有望解决关于半人马座欧米茄中质量黑洞长达十年的争论，还为探测中质量黑洞提供了迄今为止最佳候选者。
鉴于他们的发现，诺伊迈尔、哈伯勒和他们的同事现在计划更详细地研究半人马座欧米茄星的中心。他们已经获得批准使用詹姆斯·韦伯太空望远镜测量这颗高速恒星朝向或远离地球的运动（视线速度），而且未来的仪器（ESO 的 VLT 上的 GRAVITY+、极大望远镜上的 MICADO）可以比哈勃望远镜更准确地确定恒星的位置。
长期目标是确定恒星如何加速：它们的轨道如何弯曲。不过，像在银河系中心黑洞附近观测那样，跟踪这些恒星绕其整个轨道一圈，是未来几代天文学家的项目。
半人马座欧米茄黑洞质量较小，这意味着其时间尺度比银河系大 10 倍：轨道周期超过一百年。
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