震惊！整个黑洞群在银河系中竟被探测到移动

一团蓬松的星星在天空中散布开来，其核心或许隐藏着一个秘密：一群超过 100 个恒星质量的黑洞。

正在讨论的这个星团叫做帕洛玛 5 号。它是一条长达 30,000 光年的恒星流，位于约 80,000 光年之外。

这样的球状星团通常被认为是早期宇宙的“化石”。它们非常密集，并且呈球形，通常包含大约 100,000 到 100 万个非常古老的恒星；有些，比如NGC 6397，几乎跟宇宙本身一样古老。

在任何球状星团中，其所有的恒星都是在同一时间、由同一团气体形成的。银河系有大约150 个已知的球状星团；这些天体是研究诸如宇宙历史或者它们所环绕星系的暗物质含量等方面的绝佳工具。

但还有另一种类型的恒星群正受到更多的关注——潮汐流，也就是横跨天空的长长的恒星河。

此前，这些一直难以识别，但随着盖亚空间天文台致力于在三维空间高精度地绘制银河系地图，更多这样的星流被发现。

“我们不知道这些星流是如何形成的，但有一种观点认为它们是遭到破坏的星团，”西班牙巴塞罗那大学的天体物理学家马克·吉尔勒斯（Mark Gieles）在 2021 年解释道，当时研究人员首次宣布这一发现。

“然而，最近发现的星流没有一个与星团有关联，因此我们不能确定。所以，要了解这些星流是如何形成的，我们需要研究一个与恒星系统有关的星流。帕洛玛 5 号是唯一的例子，它是理解星流形成的关键线索，这就是为什么我们对它进行了详细研究。”

帕洛玛 5 号似乎很独特，因为它既有非常广泛、松散的恒星分布，又有一条长长的潮汐星流，跨越天空超过 20 度，所以吉尔勒斯和他的团队把重点放在了它身上。

该团队运用详细的 N 体模拟来重现星团中每颗恒星的轨道及演化情况，从而弄清楚它们是怎样最终处于如今所在的位置的。

鉴于最近有证据显示，球状星团的中心区域或许存在黑洞种群，而且已知与黑洞的引力相互作用会致使恒星偏离轨道，所以科学家们在他们的部分模拟中纳入了黑洞。

他们的研究结果表明，帕洛玛 5 内部的恒星质量黑洞种群有可能造就了我们现今所看到的构型。轨道相互作用会把恒星从星团中甩出并使之进入潮汐流，不过黑洞的数量比预测的要多很多。

恒星比黑洞更高效、更轻易地逃离星团，这会改变黑洞的比例，让其大幅提高。

“黑洞的数量约为星团中恒星数量预期值的三倍，这表明整个星团质量的 20%以上是由黑洞构成的。”吉尔勒斯说。

“它们各自的质量约为太阳质量的 20 倍，而且是在大质量恒星生命末期的超新星爆炸中形成的，那时星团还相当年轻。”

该团队的模拟表明，大概在 10 亿年后，这个星团会彻底解体。

就在这之前，星团的剩余部分将全由黑洞构成，环绕着星系中心运转。

这表明帕洛玛 5 号星团并非独一份儿，毕竟它会彻底溶入恒星流，就跟我们发现的其他星团一个样。

这也说明，其他的球状星团最终或许会有相同的命运。

并且它证实了球状星团或许是寻找最终会碰撞的黑洞以及处在恒星质量的轻量级黑洞和超大质量的重量级黑洞之间那种难以捉摸的中等质量黑洞的绝好地方。

“据认为，很大一部分双黑洞的合并是在星团中形成的，”英国卡迪夫大学的天体物理学家法比奥·安东尼尼（Fabio Antonini）说。

“在这种情形下，一个重大的未知因素是星团里到底有多少个黑洞，这在观测方面很难加以确定，因为我们无法看到黑洞。”

“我们的方法给我们提供了一种途径，即通过观察它们喷射出的恒星来知晓一个星团中存在多少个黑洞。”

这项研究已发表在《自然·天文学》上。

本文的早期版本于 2021 年 7 月发表。