NASA的哈勃太空望远镜在地球附近寻找中等大小的黑洞
天文学家利用NASA的哈勃太空望远镜得出了他们所说的迄今为止最有力的证据，证明了一种罕见的“中等大小”黑洞的存在，这种黑洞可能潜伏在距离地球最近的球状星团的中心，距离地球6,000光年。
就像太空结构中强烈的引力坑一样，几乎所有的黑洞似乎都有两种大小：小的和大的。据估计，我们的星系散布着1亿个由爆炸恒星产生的小黑洞（数倍于我们太阳的质量）。宇宙中到处都是超大质量黑洞，它们的质量是太阳的数百万或数十亿倍，存在于星系的中心。
一个长期寻找的缺失环节是一个中等质量的黑洞，其质量在100到100,000太阳质量之间。它们是如何形成的，它们会在哪里出没，为什么它们看起来如此罕见？
哈勃太空望远镜拍摄的球状星团梅西耶4号天体（Messier 4）。这个星团是几十万颗恒星的密集集合。天文学家怀疑一个中等质量的黑洞，其质量是太阳质量的800倍，潜伏在它的核心，而不被发现。
影像来源：ESA/Hubble, NASA
天文学家已经通过各种观测技术发现了其他可能存在的中等质量黑洞。其中两个最佳候选者——哈勃在2020年帮助发现的3XMM J215022.4−055108和2009年发现的HLX-1——位于其他星系外围的密集星团中。这些可能存在的黑洞中的每一个都有数万个太阳的质量，并且可能曾经位于矮星系的中心。NASA的钱德拉X射线天文台也帮助发现了许多可能存在的中等质量黑洞，包括2018年的一个大样本。
在离地球更近的地方，在环绕银河系的密集球状星团中发现了许多疑似中等质量黑洞。例如，2008年，哈勃望远镜的天文学家宣布，在球状星团半人马座ω星团中疑似存在一个中等质量的黑洞。由于多种原因，包括需要更多的数据，这些和其他中等质量黑洞的发现仍然没有定论，也不排除其他理论。
哈勃的独特能力现在被用来瞄准球状星团梅西耶4号天体（M4）的核心，以比以前更高的精度进行黑洞搜寻。“没有哈勃，你就无法进行这种科学研究。”马里兰州巴尔的摩太空望远镜科学研究所的爱德华多·维特拉尔说，他是《皇家天文学会月报》上发表的一篇论文的主要作者。
维特拉的团队已经探测到一个可能有大约800太阳质量的中等质量黑洞。这个疑似物体看不见，但它的质量是通过研究被其引力场捕获的恒星的运动来计算的，就像蜜蜂在蜂巢周围群集一样。测量它们的运动需要时间，而且需要很高的精度。哈勃在这里完成了其他现代望远镜无法完成的任务。天天文学家查看了哈勃望远镜12年来对M4的观测结果，并精确分辨出了恒星。
他的团队估计，M4中的黑洞质量可能高达太阳质量的800倍。哈勃的数据往往排除了该物体的替代理论，例如由中子星等未解决的恒星残骸组成的紧凑的中央星团，或相互旋转的较小黑洞。
影像来源：NASA’s Goddard Space Flight Center; 首席制片人：Paul Morris; M4核心恒星运动的计算机演示：Mattia Libralato (AURA/STScI for ESA)
一组紧密结合的天体在动态上是不稳定的。如果这个天体不是一个单一的中等质量黑洞，那么它将需要大约40个较小的黑洞挤在一个只有十分之一光年宽的空间里，才能产生观测到的恒星运动。其后果是，在星际弹球游戏中，它们会合并和/或被弹出。
“我们测量恒星的运动和它们的位置，我们应用物理模型试图重现这些运动。维特拉尔说：“我们最终测量到星团中心有一个暗物质在延伸。“越靠近中心暗物质，恒星的运动就越随机。而且，中心暗物质越大，这些恒星的速度越快。”
因为球状星团中的中等质量黑洞一直如此难以捉摸，维特拉尔警告说，“虽然我们不能完全肯定它是引力的中心点，但我们可以证明它非常小。它太小了，我们只能解释它是一个黑洞。或者，可能存在一种我们根本不知道的恒星机制，至少在当前的物理学中是这样。”
哈勃太空望远镜是NASA和ESA的一个国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心管理着这架望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所（STScI）负责哈勃望远镜和韦伯望远镜的科学操作。STScI由华盛顿特区特区大学天文研究协会为NASA运营。
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