研究人员已经证实，在半人马座欧米茄(Omega Centauri)的核心存在一个中等质量的黑洞，这个星团曾经形成了一个独立星系的中心。这一发现增强了我们对黑洞演化和星系动力学的理解。(艺术家的概念。)来源:SciTechDaily.com
研究有限公司证实了半人马座欧米伽中心有一个中等质量的黑洞，支持了它起源于一个与银河系合并的独特星系核心的理论。
在半人马座欧米茄星团中新发现的快速移动的恒星为该星团中心存在黑洞提供了确凿的证据。它的质量至少是太阳的8200倍，是一类天体黑洞的最佳候选者长期以来，人们一直认为存在:中等质量黑洞，形成于星系演化的早期阶段。这一发现支持了半人马座欧米茄是数十亿年前被银河系吞噬的星系的核心区域的说法。从那以后，剥离了外部恒星的星系核一直“冻结在时间里”。这项研究发表在《自然》杂志上。
从左至右:半人马座欧米茄球状星团的整体，中心区域的放大版本，以及在本研究中确定的中等大小黑洞位置的中心区域。图片来源:ESA/哈勃，NASA, Maximilian H?berle (MPIA)
发现半人马座欧米茄的心脏
半人马座欧米茄是一个由大约1000万颗恒星组成的壮观集合，从南纬地区的夜空中可以看到一个斑点。通过小型望远镜，它看起来与其他所谓的球状星团没有什么不同:球状星团是恒星的球状集合，向中心方向密集，以至于无法区分单个恒星。
但是现在，由Maximilian H?berle(马克斯普朗克天文研究所)领导的一项新研究证实了天文学家一段时间以来的怀疑:半人马座欧米茄中心有一个黑洞。这个黑洞似乎是它的恒星和超大质量亲属之间的“缺失环节”:它处于进化的中间阶段，比星系中心的典型黑洞要小得多。半人马座欧米茄似乎是一个小的、独立的星系的核心，它的演化在被银河系吞噬后被缩短了。
黑洞光谱
在天文学中，黑洞有不同的质量范围。质量在太阳1到几十倍之间的恒星黑洞是众所周知的，质量为太阳数百万甚至数十亿倍的超大质量黑洞也是如此。我们目前的星系演化图景假设，最早的星系应该有中等大小的中央黑洞，随着这些星系的演化，黑洞会随着时间的推移而增长，吞噬较小的星系(就像我们的银河系所做的那样)，或者与较大的星系合并。
众所周知，这种中等大小的黑洞很难找到。像我们的银河系这样的星系早已超越了中间阶段，现在包含了更大的中心黑洞。保持较小的星系(“矮星系”)通常很难观察到。以目前可用的技术，观察它们的中心区域，探测到中心黑洞是极具挑战性的。虽然有很有希望的候选者，但直到现在还没有明确探测到这样一个中等质量的黑洞。
这个变焦视频以天空概览开始，以哈勃太空望远镜在半人马座欧米茄中心的图像结束。最后，黑洞周围恒星的轨道被显示出来。资料来源:T. m
勒(MPIA/HdA)，音乐:K. J?ger (MPIA)
冻结在时间里的星系(核心
这就是半人马座欧米茄的特别之处。如果它曾经是一个独立星系的核心，然后与银河系合并，在这个过程中失去了除了中心一批恒星之外的所有恒星，那么剩下的星系核心和它的中心黑洞将被“冻结在时间里”:不会有进一步的合并，中心黑洞也没有办法生长。这个黑洞将保持在半人马座Omega被银河系吞没时的大小，这为早期的低质量黑洞和后来的超大质量黑洞之间缺失的联系提供了一个机会。
为了验证这一假设，有必要探测到半人马座欧米茄的中心黑洞，而迄今为止，天文学家一直没有找到明确的探测结果。虽然有来自星团中恒星运动的大规模模型的证据，但这些证据给人们留下了怀疑的余地:也许根本没有中心黑洞。
这段视频展示了哈勃太空望远镜是如何观测到半人马座的。您可以在800张单独的图像中看到相机探测器的位置。最后，它展示了天文学家从曝光中创造的图像。来源:M. H?berle (MPIA)
黑洞探测的突破
当马克斯·普朗克天文研究所的小组负责人纳丁·诺伊梅尔和犹他大学的阿尼尔·塞思在2019年设计了一个旨在提高对半人马座欧米茄形成历史的了解的研究项目时，他们意识到这是一个一劳永逸地解决星团中心黑洞问题的机会:如果他们能够在半人马座欧米伽中心的黑洞周围识别出预期的快速移动的恒星，那将是众所周知的确凿证据，也是测量黑洞质量的一种方法。
这项艰巨的搜寻工作成了马克斯-普朗克天文研究所博士生马克西米利安H?berle的任务。H?berle领导了为半人马座欧米茄中的恒星运动创建一个巨大的目录的工作，通过研究500多张哈勃望远镜拍摄的星团图像，测量了140万颗恒星的速度。这些图像中的大多数是为了校准哈勃望远镜的仪器而不是为了科学用途而拍摄的。但由于他们对半人马座欧米茄的不断重复的看法，他们被证明是团队研究工作的理想数据集。
H?berle说:“寻找高速恒星并记录它们的运动就像大海捞针一样。”但最终，H?berle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)。他还在档案中发现了不止一颗，而是七颗针:在半人马座欧米茄中心的一个小区域里，有七颗快速移动的恒星。
发现黑洞
那些快速移动的恒星之所以快，是因为附近有一个集中的质量。对于一颗恒星来说，我们无法判断它之所以快是因为中心质量大，还是因为恒星离中心质量非常近，又或者恒星只是直线飞行，看不到任何质量。但是有7颗这样的恒星，它们的运动速度和方向不同，使得H?berle和他的同事们能够区分不同的影响，并确定在半人马座欧米茄有一个中心质量，其质量至少是8200个太阳的质量。这些图像没有显示出任何可见的物体在中心质量的推断位置，就像人们期望的黑洞一样。
更广泛的分析不仅使H?berle能够精确地确定他的七颗高速恒星的速度。它还缩小了位于半人马座内的中心区域的位置，该区域直径为3个光月(在图像上为3角秒)。此外，分析还提供了统计上的保证:图像中的一颗高速恒星甚至可能不属于半人马座欧米伽。它可能是星团外的一颗恒星，碰巧从半人马座中心的正后方或正前方经过。另一方面，对7颗这样的恒星的观测不可能是纯粹的巧合，除了黑洞之外没有其他解释的余地。
最终发现一个中等质量黑洞
诺伊梅尔说:“以前的研究引发了一些关键问题，‘那么高速恒星在哪里?我们现在有了答案，并且证实了半人马座包含一个中等质量黑洞。它距离地球约18000光年，是已知距离我们最近的大质量黑洞。”银河系中心的超大质量黑洞距离我们约2.7万光年。这次探测不仅有望解决长达十年之久的关于半人马座欧米茄存在中等质量黑洞的争论。它还提供了迄今为止探测中等质量黑洞的最佳候选者。
鉴于他们的发现，Neumayer, H?berle和他们的同事现在计划更详细地研究半人马座欧米茄的中心。他们已经批准使用詹姆斯韦伯太空望远镜测量高速恒星靠近或远离地球的运动(视线速度)，并且未来的仪器(ESO VLT的重力+，超大望远镜的MICADO)可以比哈勃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。然而，像在银河系中心黑洞附近获得诺贝尔奖的观测那样，跟踪这些恒星的整个轨道，是未来几代天文学家的一个项目。半人马座的黑洞质量较小，这意味着它的时间尺度比银河系大十倍:轨道周期超过100年。
背景信息
这里描述的工作已经发表在《自然》杂志上，题为M. H?berle等人的“半人马座ω中等质量黑洞周围的快速移动恒星”。这项工作所依据的恒星目录已被接受发表，其名称为M. H?berle等人，“oMEGACat II -半人马座Omega中140万颗恒星的光度和固有运动及其在天空平面上的旋转”，发表在《天体物理学杂志》上。
欲了解更多关于这一发现的信息，请参见“发现缺失的一环:哈勃揭示了半人马座欧米茄隐藏的黑洞”。
引用:
《半人马座ω中质量黑洞周围的快速移动恒星》作者:Maximilian H?berle、Nadine Neumayer、Anil Seth、Andrea Bellini、Mattia Libralato、Holger Baumgardt、Matthew Whitaker、Antoine Dumont、Mayte Alfaro-Cuello、Jay Anderson、Callie Clontz、Nikolay Kacharov、Sebastian Kamann、Anja Feldmeier-Krause、Antonino Milone、Maria Selina Nitschai、Renuka Pechetti和Glenn van de Ven, 2024年7月10日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07511 - z
“oMEGACat II -半人马座Omega中140万颗恒星的测光和正常运动及其在天空平面上的旋转”，作者:Maximilian H?berle, Nadine Neumayer, Andrea Bellini, Mattia Libralato, Callie Clontz, Anil C. Seth, Maria Selina Nitschai, Sebastian Kamann, Mayte Alfaro-Cuello, Jay Anderson, Stefan Dreizler, Anja Feldmeier-Krause, Nikolay Kacharov, Marilyn Latour, Antonino Milone, Renuka Pechetti, Glenn van de Ven, Karina Voggel, Accepted, Astrophysical Journal。arXiv: 2404.03722
参与MPIA的科学家是Maximilian H?berle, Nadine Neumayer, Antoine Dumont, Callie Clontz(也是犹他大学)，Anja Feldmeier-Krause(也是维也纳大学)和Maria Selina Nitschai，与Anil Seth(犹他大学)，Andrea Bellini(空间望远镜科学研究所)，Mattia Libralato (ESA和INAF Padova)， Holger Baumgardt(昆士兰大学)，Matthew Whitaker(犹他大学)，Mayte Alfaro Cuello(智利中央大学)合作，Jay Anderson(太空望远镜科学研究所)，Nikolay Kacharov(波茨坦莱布尼茨天体物理研究所)，Sebastian Kamann(利物浦约翰摩尔斯大学)，Antonino Milone(帕多瓦大学)，Renuka Pechetti(利物浦约翰摩尔斯大学)和Glenn van de Ven(维也纳大学)。
