球状星团NGC 6397的哈勃照片。(NASA/ESA and the Hubble Heritage Team (AURA/STScI))

最近，天文学家在球状星团NGC 6397的中心发现了意料之外的奇异现象：星团中心隐藏着一大群小型黑洞。

球状星团是非常密集的恒星系统，这种恒星系统一般年龄很大。比如这个球状星团NGC 6397年龄几乎与宇宙年龄相当。

这个星团位于距离地球7,800光年的地方，是距离地球最近的球形星团之一。由于它的中心非常致密，因此被认为属于核心塌陷的星团。

起初，天文学家认为球状星团中心存在一个中等质量的黑洞。这种中型黑洞是介于星系核心的超大质量黑洞（高达太阳质量的数百万倍）与恒星坍缩形成的恒星质量黑洞（质量是太阳质量的数倍）之间的黑洞。它们是否存在一直是天文学界长期争论的问题。迄今为止，只有少数可能的中型黑洞被确定。

“我们发现了非常有力的证据表明球状星团的中心有一团看不见的质量。但是我们惊讶地发现，这个看不见的质量不是‘点状’（比如孤立的较大质量黑洞），而是离散的，分布在一块占星团大小百分之几的区域内。”法国巴黎天体物理学研究所（IAP）的爱德华多·维特拉尔（Eduardo Vitral）说。

为了分析这团看不见的隐藏质量，研究团队使用星团中的恒星速度来确定其总质量的分布，也就是可见恒星、暗淡的恒星以及黑洞中的质量。在某个区域质量越大，恒星绕其运动的速度就越快。

研究团队使用先前对恒星在夜空径向运动的估计，从而确定了恒星在星团内的真实速度。

这些对星团核心恒星的精确测量只能通过哈勃望远镜（Hubble Telescope）进行数年的观测。

哈勃望远镜的数据被添加到盖亚望远镜（Gaia Mission）提供的经过校准的径向运动的观测数据中，这些数据精确度低于哈勃望远镜的观测结果。

“我们的分析表明，在整个球状星团中，恒星的轨道几乎是随机的，而不是系统的呈圆形或非常细长的轨道。”IAP的研究员加利·马蒙（Gary Mamon）解释说。

研究团队得出结论，鉴于其质量、范围和位置，不可见的质量成分只可能由大质量恒星的残留物（例如白矮星、中子星和黑洞）组成。在与附近较小质量的恒星发生引力相互作用后，这些恒星尸体逐渐沉入星团的中心。

这种星体之间的弹球游戏称为“动摩擦”，通过交换动量，较重的恒星被隔离在星团的核心中，而低质量的恒星则迁移到星团的外围。

“我们使用恒星演化理论得出的结论是，我们发现的大多数质量都是黑洞形式的。”马蒙说。

最近的另外两项研究也提出，恒星残留物，尤其是恒星质量的黑洞，可能会填充球状星团的内部区域。维特拉尔补充说：“我们是第一个提供质量和分布的研究，发现核心塌陷的球状星团的中心似乎是小型黑洞的集合。”

天文学家还注意到，这一发现提出了这样的可能性，即这些紧密堆积的球状星团中黑洞的合并可能是引力波的重要来源。引力波是时空本身的波动，可以被引力波天文台观测到。

这项新研究发表在2021年2月11日的《天文与天体物理》期刊上。