震驚！整個黑洞羣在銀河系中竟被探測到移動

一團蓬鬆的星星在天空中散佈開來，其核心或許隱藏着一個秘密：一羣超過 100 個恆星質量的黑洞。

正在討論的這個星團叫做帕洛瑪 5 號。它是一條長達 30,000 光年的恆星流，位於約 80,000 光年之外。

這樣的球狀星團通常被認爲是早期宇宙的“化石”。它們非常密集，並且呈球形，通常包含大約 100,000 到 100 萬個非常古老的恆星；有些，比如NGC 6397，幾乎跟宇宙本身一樣古老。

在任何球狀星團中，其所有的恆星都是在同一時間、由同一團氣體形成的。銀河系有大約150 個已知的球狀星團；這些天體是研究諸如宇宙歷史或者它們所環繞星系的暗物質含量等方面的絕佳工具。

但還有另一種類型的恆星羣正受到更多的關注——潮汐流，也就是橫跨天空的長長的恆星河。

此前，這些一直難以識別，但隨着蓋亞空間天文臺致力於在三維空間高精度地繪製銀河系地圖，更多這樣的星流被發現。

“我們不知道這些星流是如何形成的，但有一種觀點認爲它們是遭到破壞的星團，”西班牙巴塞羅那大學的天體物理學家馬克·吉爾勒斯（Mark Gieles）在 2021 年解釋道，當時研究人員首次宣佈這一發現。

“然而，最近發現的星流沒有一個與星團有關聯，因此我們不能確定。所以，要了解這些星流是如何形成的，我們需要研究一個與恆星系統有關的星流。帕洛瑪 5 號是唯一的例子，它是理解星流形成的關鍵線索，這就是爲什麼我們對它進行了詳細研究。”

帕洛瑪 5 號似乎很獨特，因爲它既有非常廣泛、鬆散的恆星分佈，又有一條長長的潮汐星流，跨越天空超過 20 度，所以吉爾勒斯和他的團隊把重點放在了它身上。

該團隊運用詳細的 N 體模擬來重現星團中每顆恆星的軌道及演化情況，從而弄清楚它們是怎樣最終處於如今所在的位置的。

鑑於最近有證據顯示，球狀星團的中心區域或許存在黑洞種羣，而且已知與黑洞的引力相互作用會致使恆星偏離軌道，所以科學家們在他們的部分模擬中納入了黑洞。

他們的研究結果表明，帕洛瑪 5 內部的恆星質量黑洞種羣有可能造就了我們現今所看到的構型。軌道相互作用會把恆星從星團中甩出並使之進入潮汐流，不過黑洞的數量比預測的要多很多。

恆星比黑洞更高效、更輕易地逃離星團，這會改變黑洞的比例，讓其大幅提高。

“黑洞的數量約爲星團中恆星數量預期值的三倍，這表明整個星團質量的 20%以上是由黑洞構成的。”吉爾勒斯說。

“它們各自的質量約爲太陽質量的 20 倍，而且是在大質量恆星生命末期的超新星爆炸中形成的，那時星團還相當年輕。”

該團隊的模擬表明，大概在 10 億年後，這個星團會徹底解體。

就在這之前，星團的剩餘部分將全由黑洞構成，環繞着星系中心運轉。

這表明帕洛瑪 5 號星團並非獨一份兒，畢竟它會徹底溶入恆星流，就跟我們發現的其他星團一個樣。

這也說明，其他的球狀星團最終或許會有相同的命運。

並且它證實了球狀星團或許是尋找最終會碰撞的黑洞以及處在恆星質量的輕量級黑洞和超大質量的重量級黑洞之間那種難以捉摸的中等質量黑洞的絕好地方。

“據認爲，很大一部分雙黑洞的合併是在星團中形成的，”英國卡迪夫大學的天體物理學家法比奧·安東尼尼（Fabio Antonini）說。

“在這種情形下，一個重大的未知因素是星團裡到底有多少個黑洞，這在觀測方面很難加以確定，因爲我們無法看到黑洞。”

“我們的方法給我們提供了一種途徑，即通過觀察它們噴射出的恆星來知曉一個星團中存在多少個黑洞。”

這項研究已發表在《自然·天文學》上。

本文的早期版本於 2021 年 7 月發表。