[비즈한국] 银河系的中心存在着超大质量黑洞。那么，作为比银河系更小的恒星集合体——星团，是否也应该有更小的黑洞呢？这是一个非常自然的想法。当然，星团并不是银河系的等比例缩小版。但考虑到成千上万乃至数百万颗恒星因引力聚集在一起，星团确实也是寻找黑洞的理想场所。
特别是星团越大、越重，诞生的恒星可能就越多，相应地产生黑洞的可能性也越大。那么，银河系中最重的星团——半人马座ω星团（Omega Centauri）情况如何呢？
半人马座ω星团距离地球约1万7900光年。它汇聚了大约1000万颗恒星，总质量约为太阳的400万倍。在南半球阴暗的夜空中，如果条件允许，肉眼也能隐约看到它。
它的年龄也超过了120亿年。这意味着在半人马座ω星团中诞生的重恒星早已走到了生命的尽头。虽然小质量的红矮星可以存活数百亿年，但大质量恒星早已快速消耗燃料并爆发为超新星。其中足够重的恒星最终必然会留下恒星级黑洞。
因此，半人马座ω星团中应该存在大量黑洞。在实际的动力学模型中，有人推测该星团中心约有1万个恒星级黑洞。不过，由于无法明确区分较重的中等质量黑洞和恒星级黑洞，这个数字可能被高估了。
无论如何，半人马座ω星团足以束缚住黑洞，这是毋庸置疑的。由于该星团非常重，引力也极强，其逃逸速度约为62km/s，几乎是银河系球状星团通常逃逸速度（20~30km/s）的两倍。在星团比现在更重的早期，逃逸速度可能超过了100km/s。恒星死亡形成黑洞时发生的爆炸不对称性，有时会产生一种“反冲（kick）”，使黑洞向一侧飞出。但在像半人马座ω星团这样逃逸速度极高的星团中，黑洞最终无法逃逸并被留了下来。
然而奇怪的是，此前在半人马座ω星团中并没有确认到任何一个恒星级黑洞。这并非因为没有黑洞，而是因为在这种地方反而更难被发现。
黑洞本身不发光。只有在掠夺周围气体或伴星物质时，它才会通过发射强烈的X射线和无线电波暴露自己。但如果处于没有东西可吃的“饥饿”状态，黑洞几乎完美地隐藏在黑暗之中。虽然对半人马座ω星团进行了多次深度的X射线和无线电观测，但并没有找到黑洞候选者。因为它年龄太大，新鲜气体物质几乎枯竭，环境荒凉，即便有黑洞，也没有什么东西可以吃。
曾有一种观点认为，虽然一度存在大量黑洞，但通过星团内部剧烈而复杂的引力相互作用，它们都被弹出了星团。重黑洞下沉至星团中心并相互配对，当接近其他恒星或黑洞时，就像弹弓一样可能将对方弹走。但近期的星团演化模型显示，黑洞并不能以这种方式高效地全部逃离。因此，半人马座ω星团中很可能仍有相当多的恒星级黑洞静静地潜伏在黑暗中。
最近，有人通过一种截然不同的方法解决了这一难题。不是观察黑洞溢出的光，而是寻找被黑洞引力吸引的恒星运动轨迹。天文学家注意到一颗距离星团中心仅1光年的普通恒星。这颗恒星的质量仅为太阳的78%，外表看来平平无奇，亮度稳定，也没有变光现象。然而，在对其进行长时间跟踪后，出现了异样。
如果是一颗孤独飘荡在宇宙空间的恒星，它在天空中应该表现出接近直线的简单固有运动。但该恒星的路径明显发生了弯曲，就像围绕着某种看不见的东西在公转一样。为了仔细分析半人马座ω星团中恒星的运动，研究人员利用哈勃太空望远镜对350颗恒星进行了长达20多年的追踪，该项目被称为oMEGACat。再加上2024年和2025年詹姆斯·韦布空间望远镜的最新观测结果，总共追踪了恒星长达23年的运动。
半人马座ω星团中心恒星的微小运动比哈勃和韦布探测器的一个像素还要小。因此，仅凭瞬间拍摄的简单照片很难看出恒星的运动。必须对比经过长时间拍摄的数百张照片，并以多颗恒星为基准点，才能准确得出目标恒星的真实运动。分析结果显示，该恒星似乎正以约94年的周期围绕着某种看不见的东西旋转。其公转轨道的半径约为31AU，描绘出一个离心率高达0.72的相当扁平的椭圆轨道。
此时不禁产生一个疑问：仅仅观测了23年，如何得知其公转周期为94年？毕竟在观测期间，恒星甚至没有转完公转轨道的一圈。事实上，这次运气很好。在哈勃2012年前后观测期间，恒星恰好经过了椭圆轨道上运行速度最快的“近黑洞点”。
虽然实际观测期间仅涵盖了该恒星所画椭圆轨道的40%，但幸运的是，刚好捕捉到了黑洞引力作用最强的区间。多亏如此，这个伴星天体——黑洞的质量也得以准确计算。利用开普勒定律推算，该黑洞质量约为太阳的4.46倍。既然如此沉重却没有任何光线射出，唯一的答案就是黑洞。因此，该黑洞被命名为OmegaCat BH-2。
这是首次发现的黑洞，之所以不叫BH-1而叫BH-2，是因为事实上通过相同的oMEGACat数据，2024年已经在该星团中心首先发现了一个推测为太阳质量约8000倍的中等质量黑洞候选者。但那次是中等质量黑洞，而这次是更轻的恒星级黑洞，两者有所不同。因此，这次发现的BH-2是半人马座ω星团中官方首次发现的恒星级黑洞。
虽然用钱德拉X射线天文台对BH-2周边进行了广泛扫描，但没有看到特别的X射线。这是因为环绕它的恒星以很大的轨道距离运行，处于无法掠夺恒星物质的状态。
然而，此次发现的BH-2比预期轻得多，这成了问题。环绕它的恒星金属含量相当低。这种低金属含量的恒星外部洁净透明，即使内部光线溢出，也没有离子粒子阻挡或碰撞。因此恒星风威力较弱，质量损失也不大。所以，原先预期这类低金属恒星形成的黑洞至少应该是太阳质量的20~40倍。但实际确认的BH-2质量仅为4~5倍，远比预期轻。
这显示了一种新的可能性：在金属含量极少的古老球状星团等环境中，也可能形成极其微小的恒星级黑洞。这意味着黑洞的质量分布函数可能比我们想象的更宽广、更具多样性。也可能存在一种机制，即使恒星表面外围没有多少金属离子粒子，也能有效地吹走恒星外部物质。或者也应考虑到，原本虽然存在重黑洞，但它们却无法承受复杂的引力相互作用而先被踢出了星团外。
虽然现在才发现一个，但未来还会有多少黑洞在其中被发现尚不可知。詹姆斯·韦布空间望远镜计划在2027年和2028年再次观测这颗恒星。随着两年观测数据的增加，恒星轨道将更加精密，届时将能更准确地获知黑洞的质量。届时观察黑洞是会变得更重，还是维持现在的轻质量，将是一件令人感兴趣的事情。
在璀璨闪烁的星体中寻找隐藏的黑暗，这就是天文学的工作。而那黑暗最终会暴露。黑暗不会独自存在。尽管它隐藏在黑暗中，但通过与周围明亮物体的相互作用，它会间接地留下自己的痕迹。
参考
https://omegacatalog.github.io/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a5c
作者 池雄培（Ji Ung-bae）是谁？他热爱猫与宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后，立下了向世人传达宇宙之美的梦想。目前担任世宗大学自由专业学部助理教授，参与讲座、写作等多种科学传播活动。著有《关于天文学家的无用性》、《我们都是天文学家出生》、《仰望宇宙时想到的奇怪问题》等书籍，并翻译了《我为何杀死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。