來自球狀星團的逃逸之星：中等質量黑洞存在證據鏈的最後一環

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近日，中國科學院大學黃樣副教授聯合多家科研機構，提出透過搜尋因引力彈弓效應（希爾機制）從球狀星團中被彈射的高速星，為“隱匿”已久的中等質量黑洞提供直接證據。研究團隊基於 Gaia 和 LAMOST 資料，分析了近千顆高速星及銀河系百餘個球狀星團的軌道演化，發現高速星 J0731+3717 約 2000 萬年前以接近 550 km/s 的超高速度從球狀星團 M15 中被彈射（置信度達 5.4σ）。這一極高的彈射速度最可能源於希爾機制，從而為 M15 中心存在中等質量黑洞提供了有力的動力學證據。

該研究成果已作為封面文章發表在《國家科學評論》2025 年 2 月刊，論文標題為 “A high-velocity star recently ejected by an intermediate-mass black hole in M15”。黃樣副教授為該論文的共同第一作者和通訊作者，中國科學院雲南天文臺研究生李清政（已畢業）為共同第一作者，中國科學院國家天文臺劉繼峰研究員、中國科學院雲南天文臺董小波研究員、北京大學張華偉教授共同擔任通訊作者。

在宇宙中，由大質量恆星死亡形成的恆星級黑洞（例如讓霍金‘認賭服輸’的天鵝座X-1）和存在於每個大型星系中心的超大質量黑洞（如銀河系中心的Sgr A*）早已為人所知。然而，質量介於二者之間的中等質量（IMBH）黑洞通常被認為是恆星級黑洞成長為超大質量黑洞的關鍵中間環節，但目前只發現了少數存在爭議的候選體。這類黑洞究竟是否存在，長期以來一直困擾著天文學家。

球狀星團被認為是中等質量黑洞最理想的潛藏場所。由於球狀星團中心極高的恆星密度，IMBH可以透過兩種方式形成：一種是恆星的反覆併合形成一個(超)大質量恆星後，再塌縮成黑洞（快速模式）；另一種是一些恆星級的小黑洞的反覆併合，形成一箇中等質量的黑洞（慢速模式）。早在本世紀初，科學家們就利用哈勃空間望遠鏡（HST）搭載的超高空間解析度的太空望遠鏡影像攝譜儀對球狀星團M15進行了觀測，獲得了其視向速度彌散曲線。結合N體數值模擬建模，研究人員限制得出M15中心可能存在一個重達1700至3200太陽質量的中等質量黑洞。然而，該結果發表後，許多研究團隊提出了質疑：HST測得的視向速度彌12散曲線距離星團中心仍有0.5角秒（對應星團位置約5200 AU），在此範圍內除了中等質量黑洞外，還可能有數千顆緻密星。近來，科學家利用HST歷年來拍攝的500餘幅影像，在半人馬座歐米伽星團中發現了7顆束縛的高速星。這一發現被解釋為可能需要一箇中等質量黑洞（IMBH）來束縛這些恆星。然而，這些恆星距離星團中心最近的位置仍超過1000 AU。後續研究還利用脈衝星計時方法報道了球狀星團中存在中等質量黑洞的跡象，但由於所用脈衝星距離星團中心更遠，同樣面臨無法排除為一群緻密星的可能性。因此，如何找到有效的方法在距離球狀星團中心儘可能近的位置探測中等質量黑洞，成為了確定中等質量黑洞存在證據鏈的最後一環（參見圖1的測量原理示意圖）。

圖1：傳統速度彌散曲線和脈衝星計時法（左）與高速星溯源軌道法（右）搜尋區域的對比。

為解決上述困境，該研究團隊提出利用中等質量黑洞可以撕開緊鄰它們快速繞轉密近雙星的引力彈弓效應（希爾機制），來限制中心質量的集中範圍。透過對Gaia和LAMOST等資料發現的近千顆高速星（總速度大於400 km/s）及銀河系中百餘個球狀星團進行詳細的軌道回溯，研究團隊發現一顆高速星J0731+3717在約2000萬年前以接近550 km/s的超高速度從球狀星團M15中彈射而出。除此之外，J0731+3717還有著與M15高度一致的化學丰度和年齡（如圖2所示）。自球狀星團中彈射如此高速的恆星，就需要一個密近雙星從數千個太陽質量的中等質量黑洞的一個天文單位附近經過時被強大的潮汐力撕開，一顆星被黑洞捕獲，而另外一顆星則被高速彈出。這個獨特的發現利用引力彈弓效應首次把數千個太陽質量限制在幾個天文單位之內，因此不可能是數千箇中子星/恆星級黑洞，而只能是一個黑洞，即M15中心確實存在一箇中等質量黑洞。該研究透過發現首顆因球狀星團中引力彈弓效應彈射的高速星 J0731+3717，打通了中等質量黑洞存在證據鏈的最後一環。

隨著Gaia和如LAMOST等地面大規模光譜巡天資料的不斷積累，該團隊預計在不久的將來至少還能發現數顆J0731+3717一樣從球狀星團中彈射出來的高速星，這將極大地推動我們對‘神秘’中等質量黑洞的理解。