难以捉摸的中等大小黑洞可能在密集的“出生巢穴”中形成

五毒男孩又

超级计算机模拟的快照显示，一个焦油团在一个巨大的分子云中形成。（图片来源：藤井美智子和武田隆明。2024）

据美国太空网（Robert Lea）：研究人员发现，难以捉摸的中等质量黑洞可能在密集的星团中形成，这些星团包含数万至数百万颗被称为“球状星团”的致密恒星

中等质量黑洞的质量在100到10000个太阳之间。它们比质量在10到100太阳质量之间的太阳质量黑洞更重，但比质量相当于数百万甚至数十亿太阳的超大质量黑洞更轻。

事实证明，天文学家很难发现这些宇宙中间层，2012年发现了第一个例子。它被命名为GCIRS 13E，质量是太阳的1300倍，距离银河系的银河系中心26000光年。

围绕中等质量黑洞的谜团之一与它们的形成有关。恒星质量黑洞是在大质量恒星坍缩时诞生的，超大质量黑洞是由越来越大的黑洞合并而成的。然而，一颗质量足以死亡并形成具有数千太阳质量的黑洞的恒星应该是极其罕见的，当它“死亡”时，应该很难保持这种质量

为了探究这些中等质量黑洞是如何形成的，一组研究人员首次对大质量星团进行了逐星模拟。这表明，一个密度足够大的球状星团分子云“诞生巢”可以产生质量足以坍塌并产生中等质量黑洞的恒星。

团队负责人、东京大学科学家藤井美智子在一份声明中表示：“之前的观测表明，一些大质量的星团，即球状星团，存在一个中等质量的黑洞。”。“到目前为止，还没有强有力的理论证据表明，与质量较小（恒星质量）和质量较大（超大质量）的黑洞相比，存在质量为1000至10000太阳质量的中等质量黑洞。”

一个混乱的黑洞诞生地

“出生窝”一词很可能会唤起温暖、舒适和宁静的图像和感觉，但这对球状星团中的恒星形成来说再合适不过了。

这些密集的恒星团生活在混乱和混乱中，密度的差异导致恒星碰撞和合并。这一过程导致恒星质量堆积，从而增加其引力影响，将更多的恒星拖入附近，从而推动越来越多的合并。

发生在球状星团中心的失控碰撞和合并过程可以导致质量相当于1000个太阳左右的恒星的诞生。这个质量足以产生一个中等质量的黑洞，但还有一个障碍。

天体物理学家知道，当恒星坍塌形成黑洞时，它们的大量质量会在超新星爆炸或恒星风中被吹走。先前对中等质量黑洞产生的模拟已经证实了这一点，进一步表明即使是1000太阳质量的大质量恒星最终也会太小，无法产生中等质量黑洞。

为了发现一颗大质量恒星是否能以足够的质量“存活”下来，诞生一个中等质量的黑洞，藤井和团队模拟了球状星团的形成过程。



Messier 92球状星团，位于27000光年外的大力神座（图片来源：欧空局/美国国家航空航天局/哈勃）

藤井说：“我们第一次成功地对球状星团的形成进行了数值模拟，对单个恒星进行了建模。”。“通过解析每个恒星都有真实质量的单个恒星，我们可以在拥挤的环境中重建恒星的碰撞。对于这些模拟，我们开发了一种新的模拟代码，可以高精度地集成数百万颗恒星。”

在模拟的球状星团中，失控的碰撞和合并导致了超大质量恒星的形成，这些恒星可以保留足够的质量来坍塌并诞生一个中等质量的黑洞。

该团队还发现，模拟预测了中等质量黑洞和形成它的球状星团之间的质量比。事实证明，这个比例与实际的天文观测结果相匹配。

藤井解释说：“我们的最终目标是通过解析单个恒星来模拟整个星系。”。“使用目前可用的超级计算机解析单个恒星，模拟银河系大小的星系仍然很困难。然而，模拟矮星系等较小的星系是可能的。”

藤井和她的团队还打算以早期宇宙中形成的星团为目标。她说：“第一个星团也是中等质量黑洞诞生的地方。”。

该团队的研究于星期四（5月30日）发表在《科学》杂志上。