[비즈한국] 銀河系的中心存在著超大質量黑洞。那麼，作為比銀河系更小的恆星集合體——星團，是否也應該有更小的黑洞呢？這是一個非常自然的想法。當然，星團並不是銀河系的等比例縮小版。但考慮到成千上萬乃至數百萬顆恆星因引力聚集在一起，星團確實也是尋找黑洞的理想場所。
特別是星團越大、越重，誕生的恆星可能就越多，相應地產生黑洞的可能性也越大。那麼，銀河系中最重的星團——半人馬座ω星團（Omega Centauri）情況如何呢？
半人馬座ω星團距離地球約1萬7900光年。它匯聚了大約1000萬顆恆星，總質量約為太陽的400萬倍。在南半球陰暗的夜空中，如果條件允許，肉眼也能隱約看到它。
它的年齡也超過了120億年。這意味著在半人馬座ω星團中誕生的重恆星早已走到了生命的盡頭。雖然小質量的紅矮星可以存活數百億年，但大質量恆星早已快速消耗燃料並爆發為超新星。其中足夠重的恆星最終必然會留下恆星級黑洞。
因此，半人馬座ω星團中應該存在大量黑洞。在實際的動力學模型中，有人推測該星團中心約有1萬個恆星級黑洞。不過，由於無法明確區分較重的中等質量黑洞和恆星級黑洞，這個數字可能被高估了。
無論如何，半人馬座ω星團足以束縛住黑洞，這是毋庸置疑的。由於該星團非常重，引力也極強，其逃逸速度約為62km/s，幾乎是銀河系球狀星團通常逃逸速度（20~30km/s）的兩倍。在星團比現在更重的早期，逃逸速度可能超過了100km/s。恆星死亡形成黑洞時發生的爆炸不對稱性，有時會產生一種“反衝（kick）”，使黑洞向一側飛出。但在像半人馬座ω星團這樣逃逸速度極高的星團中，黑洞最終無法逃逸並被留了下來。
然而奇怪的是，此前在半人馬座ω星團中並沒有確認到任何一個恆星級黑洞。這並非因為沒有黑洞，而是因為在這種地方反而更難被發現。
黑洞本身不發光。只有在掠奪周圍氣體或伴星物質時，它才會透過發射強烈的X射線和無線電波暴露自己。但如果處於沒有東西可吃的“飢餓”狀態，黑洞幾乎完美地隱藏在黑暗之中。雖然對半人馬座ω星團進行了多次深度的X射線和無線電觀測，但並沒有找到黑洞候選者。因為它年齡太大，新鮮氣體物質幾乎枯竭，環境荒涼，即便有黑洞，也沒有什麼東西可以吃。
曾有一種觀點認為，雖然一度存在大量黑洞，但透過星團內部劇烈而複雜的引力相互作用，它們都被彈出了星團。重黑洞下沉至星團中心並相互配對，當接近其他恆星或黑洞時，就像彈弓一樣可能將對方彈走。但近期的星團演化模型顯示，黑洞並不能以這種方式高效地全部逃離。因此，半人馬座ω星團中很可能仍有相當多的恆星級黑洞靜靜地潛伏在黑暗中。
最近，有人透過一種截然不同的方法解決了這一難題。不是觀察黑洞溢位的光，而是尋找被黑洞引力吸引的恆星運動軌跡。天文學家注意到一顆距離星團中心僅1光年的普通恆星。這顆恆星的質量僅為太陽的78%，外表看來平平無奇，亮度穩定，也沒有變光現象。然而，在對其進行長時間跟蹤後，出現了異樣。
如果是一顆孤獨飄蕩在宇宙空間的恆星，它在天空中應該表現出接近直線的簡單固有運動。但該恆星的路徑明顯發生了彎曲，就像圍繞著某種看不見的東西在公轉一樣。為了仔細分析半人馬座ω星團中恆星的運動，研究人員利用哈勃太空望遠鏡對350顆恆星進行了長達20多年的追蹤，該專案被稱為oMEGACat。再加上2024年和2025年詹姆斯·韋布空間望遠鏡的最新觀測結果，總共追蹤了恆星長達23年的運動。
半人馬座ω星團中心恆星的微小運動比哈勃和韋布探測器的一個畫素還要小。因此，僅憑瞬間拍攝的簡單照片很難看出恆星的運動。必須對比經過長時間拍攝的數百張照片，並以多顆恆星為基準點，才能準確得出目標恆星的真實運動。分析結果顯示，該恆星似乎正以約94年的週期圍繞著某種看不見的東西旋轉。其公轉軌道的半徑約為31AU，描繪出一個離心率高達0.72的相當扁平的橢圓軌道。
此時不禁產生一個疑問：僅僅觀測了23年，如何得知其公轉週期為94年？畢竟在觀測期間，恆星甚至沒有轉完公轉軌道的一圈。事實上，這次運氣很好。在哈勃2012年前後觀測期間，恆星恰好經過了橢圓軌道上執行速度最快的“近黑洞點”。
雖然實際觀測期間僅涵蓋了該恆星所畫橢圓軌道的40%，但幸運的是，剛好捕捉到了黑洞引力作用最強的區間。多虧如此，這個伴星天體——黑洞的質量也得以準確計算。利用開普勒定律推算，該黑洞質量約為太陽的4.46倍。既然如此沉重卻沒有任何光線射出，唯一的答案就是黑洞。因此，該黑洞被命名為OmegaCat BH-2。
這是首次發現的黑洞，之所以不叫BH-1而叫BH-2，是因為事實上透過相同的oMEGACat資料，2024年已經在該星團中心首先發現了一個推測為太陽質量約8000倍的中等質量黑洞候選者。但那次是中等質量黑洞，而這次是更輕的恆星級黑洞，兩者有所不同。因此，這次發現的BH-2是半人馬座ω星團中官方首次發現的恆星級黑洞。
雖然用錢德拉X射線天文臺對BH-2周邊進行了廣泛掃描，但沒有看到特別的X射線。這是因為環繞它的恆星以很大的軌道距離執行，處於無法掠奪恆星物質的狀態。
然而，此次發現的BH-2比預期輕得多，這成了問題。環繞它的恆星金屬含量相當低。這種低金屬含量的恆星外部潔淨透明，即使內部光線溢位，也沒有離子粒子阻擋或碰撞。因此恆星風威力較弱，質量損失也不大。所以，原先預期這類低金屬恆星形成的黑洞至少應該是太陽質量的20~40倍。但實際確認的BH-2質量僅為4~5倍，遠比預期輕。
這顯示了一種新的可能性：在金屬含量極少的古老球狀星團等環境中，也可能形成極其微小的恆星級黑洞。這意味著黑洞的質量分佈函式可能比我們想象的更寬廣、更具多樣性。也可能存在一種機制，即使恆星表面外圍沒有多少金屬離子粒子，也能有效地吹走恆星外部物質。或者也應考慮到，原本雖然存在重黑洞，但它們卻無法承受複雜的引力相互作用而先被踢出了星團外。
雖然現在才發現一個，但未來還會有多少黑洞在其中被發現尚不可知。詹姆斯·韋布空間望遠鏡計劃在2027年和2028年再次觀測這顆恆星。隨著兩年觀測資料的增加，恆星軌道將更加精密，屆時將能更準確地獲知黑洞的質量。屆時觀察黑洞是會變得更重，還是維持現在的輕質量，將是一件令人感興趣的事情。
在璀璨閃爍的星體中尋找隱藏的黑暗，這就是天文學的工作。而那黑暗最終會暴露。黑暗不會獨自存在。儘管它隱藏在黑暗中，但透過與周圍明亮物體的相互作用，它會間接地留下自己的痕跡。
參考
https://omegacatalog.github.io/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a5c
作者 池雄培（Ji Ung-bae）是誰？他熱愛貓與宇宙。童年時在看了《銀河鐵道999》後，立下了向世人傳達宇宙之美的夢想。目前擔任世宗大學自由專業學部助理教授，參與講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《關於天文學家的無用性》、《我們都是天文學家出生》、《仰望宇宙時想到的奇怪問題》等書籍，並翻譯了《我為何殺死了冥王星》、《量子生活》、《UFO》等作品。