半人马ω球状星团的中心隐藏着一个中等质量黑洞。图：ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)
什么是黑洞？在天体物理学中，它被认为是一个引力强大到连光一旦跨越它的边界都无法逃脱的致密天体。在过去数十年的观测中，天文学家已经观测到了两类黑洞：一种是质量介于5到150倍太阳质量的恒星级黑洞，这类黑洞非常普遍，仅在银河系中就大约有数亿个；另一类是质量为太阳质量的数十万倍到数十亿倍的超大质量黑洞，它们位于星系的中心。
一直以来， 天文学家都怀疑，在这两类黑洞之间应该还存在着中等质量黑洞。然而，寻找这种黑洞被证明是极其困难的，在过去只发现了少数中等质量黑洞的候选，但一直备受争议。2024年7月10日，在一项发表于《自然》杂志的研究中，天文学家宣布他们在半人马ω球状星团的中心找到了存在中等质量黑洞的确凿证据。
那么，为什么寻找中等质量黑洞如此困难？
首先我们需要知道，黑洞本身是不发光的，所以我们不能直接看到它们。但天文学家已经找到了几种可以间接观测到他们存在的方法：
第一种方法是探测黑洞周围物质发出的光：宇宙中存在着许多由黑洞和恒星组成的双星系统，如果它们靠得足够近，那么黑洞的强大引力就会吸引恒星身上的气体。这些气体并不会直接全部落入黑洞，而是会在黑洞的周围形成一个吸积盘。吸积盘中的气体在向内旋转的过程中升温，所以会发出可被探测到的X射线。
第二种方法是捕捉引力波：当两个黑洞相互靠近、并合时，一部分质量就会转化为引力波向外辐射。通过分析接收到的引力波信号，就可以推断出黑洞并合前的质量。
第三种方法是追踪恒星：由于黑洞的引力非常的强，所以它会严重影响附近恒星的运行轨迹。如果我们能够观测到一些有着奇怪行为的恒星在绕着某个看不见的点在运行，那极有可能就是黑洞。天文学家就是通过这个方法确定了银河系中心有一个质量为400多万倍太阳质量的超大质量黑洞。
第四种方法是拍摄：科学家可以通过连接散布在全球的射电望远镜，对位于星系中心的超大质量黑洞进行成像，我们会看到预测中的一个明亮的环状结构包围着一个暗弱的中心区域。
理论上，这些方法都适用于寻找中等质量黑洞。但在实际观测中却会遇到问题，比如最有可能隐藏这类黑洞的地方位于球状星团的中心，但多数恒星团的物质密度实际上并不高，所以黑洞没有与之相互作用的气体，也就不会发出容易探测到的X射线信号；又比如，两个中等质量黑洞并合会发出低频引力波信号，但目前的引力波探测到对低频引力波并不灵敏。
在这项研究中，天文学家所使用的方法是追踪恒星，他们将目光瞄准了距离我们17000光年的半人马ω球状星团。
半人马ω包含了大约1000万颗恒星，是银河系中已知最大的球状星团。天文学家普遍认为，它是一个被银河系吞并的古老矮星系的核心。在吞并的过程，这个矮星系失去了除了存在于核心之外的所有其他恒星。在中心的黑洞也会被“冻结在时间里”，也就是说它没有办法继续生长，将一直保持在半人马ω被银河系吞并时的大小。为了验证这一假设，就有必要探测到半人马ω中心的黑洞。
在最新的研究中，研究人员意识到，如果他们能够在半人马ω球状星团的中心黑洞周围识别出预期的快速移动的恒星，那将是一个确凿的证据。然而，为恒星的运动创建一个巨大的目录并不是一件容易的事情。研究人员通过研究哈勃太空望远镜拍摄的500多张半人马ω球状星团的图像，测量位于星团内的140万颗恒星的速度。最终，他们幸运地在半人马ω球状星团中心的一个小区域里，发现了七颗恒星正以超过半人马ω的逃逸速度在运动。如果没有中心黑洞在施加额外的引力，那么这些恒星应该已经逃离了星团的中心。
通过对其中移动最快的5颗恒星进行最可靠的测量，研究人员计算出那里应该存在着一个质量至少是8200倍太阳质量的黑洞。这正是一个中等质量黑洞。
半人马ω球状星团的中心隐藏着一个中等质量黑洞。图：ESA/Hubble & NASA, M. Häberle (MPIA)
当然，也有人对此提出质疑，认为那里应该存在着一群小得多的黑洞，而不是一个中等质量黑洞。这种质疑凸显了研究密集恒星环境的复杂性和挑战。所以，未来还需要更多的观测来证明半人马ω球状星团的中心是否真的存在一个中等质量黑洞。
那么，为什么要寻找这类黑洞呢？刚才我们提到的恒星级黑洞，在宇宙中是普遍存在的，这些黑洞通常是大质量恒星在耗尽所有燃料时，其核心最终在引力的作用下坍缩形成的。当然，并不是所有的恒星级黑洞都是这么产生的，有的质量非常大的恒星会直接坍缩，将其全部质量都转化为黑洞；也有的黑洞是两个中子星的并合的最终产物。然而，天文学家一直无法确认的是，星系中心的超大质量黑洞究竟是如何形成的。
根据目前的星系演化图景，最早的星系应该有中等大小的中心黑洞，随着这些星系的演化，黑洞会随着时间的推移而增长，吞并周围较小的星系（就像银河系所做的那样），或者是与较大的星系并合。也就是说，中等质量黑洞可能为超大质量黑洞的成长提供了第一个种子，所以找到中等质量黑洞有望帮助解决超大质量黑洞的形成之谜。