银河阴影：中间黑洞难以捉摸的踪迹

计算机模拟显示了神秘的中等质量黑洞是如何在恒星团内形成的。

包括马克斯·普朗克天文学研究所（Max Planck Institute for Astronomy）在内的国际天文学家联盟已经成功地解开了难以捉摸的中等质量黑洞的复杂形成机制。它们可以代表它们较小的亲戚，恒星黑洞和居住在星系中心的超大质量巨行星之间的联系。这一成就源于Gran Sasso科学研究所领导的DRAGON-II模拟项目。参与这项研究的科学家计算了恒星、恒星黑洞和密集恒星团内物理过程的复杂相互作用，证明在这些环境中可以出现高达几百个太阳质量的黑洞。

黑洞的摇篮

寻找和理解中等质量黑洞（IMBHs）的起源仍然是一个持续的谜。如果它们存在，它们可能成为两个极端黑洞之间的连接纽带。在低质量的一端，我们观察到恒星黑洞，这是大质量恒星在其生命结束时超新星爆炸的残余物。另一方面，我们在星系中心发现了黑洞，其质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍。这些天体的形成和生长仍然代表着现代天文学的一个迷人的谜团，主要是由于缺乏支持这种黑洞存在的明确吸烟枪。天文学家希望在密集而拥挤的恒星团中找到它们。

观察IMBH的挑战

“中等质量的黑洞很难观测到，”意大利拉奎拉Gran Sasso科学研究所（GSSI）的Manuel Arca Sedda解释说，他是发表在《皇家天文学会月刊》上的基础研究文章的主要作者。“目前的观测极限不允许我们对质量在1000到10000太阳质量之间的中等质量黑洞的数量发表任何看法，它们也让科学家对导致其形成的可能机制感到头疼。

通过仿真发现

为了克服这一劣势，由Arca Sedda领导的一个国际团队，包括德国海德堡马克斯普朗克天文学研究所（MPIA）的Albrecht Kamlah，对恒星星团进行了一系列创新的高分辨率数值模拟，称为DRAGON-II星团数据库。在这项努力中，天文学家发现了在年轻、人口稠密和大质量星团中形成中等质量黑洞的潜在途径。

这些突破性的模拟必须计算正常单星和双星之间的一系列复杂相互作用，导致碰撞并形成越来越大质量的恒星，最终演变成IMBH。在那个阶段，这些黑洞可能会继续吸收更多的大质量恒星和黑洞，导致增长到数百个太阳质量。事实证明，没有一条通向中等质量黑洞的单一途径。相反，天文学家发现了一系列复杂的相互作用和合并事件。

这张图展示了在大约600万年内将大质量星团恒星（1-5）变成中等质量黑洞（IMBH）的机制。该序列从三颗正常恒星开始，其中两颗形成一个相互绕行的双星（1a，1b，2）。过了一会儿，这颗恒星三重星经历了一次合并事件，只留下了两颗恒星（1a，3），它们再次捕获了一颗巨大的星团恒星（4）。最后，两颗恒星（1a，3）合并，产生一颗所谓的超大质量恒星（VMS），其质量超过300个太阳质量。在那个阶段，VMS 可以通过从其同伴那里汲取材料来进一步增长 （4）。VMS现在已经足够大，可以演变成IMBH。它通过捕获更多的恒星（5）而继续增长，最终导致IMBH为350个太阳质量。图片来源：© M. Arca Sedda et al. / MPIA

模拟逼真的星团

多达100万颗恒星居住在模拟的恒星团中，这些恒星表现出10%到30%的双星比例。“模拟的星团非常接近于在银河系，麦哲伦星云和我们本地宇宙中的各种星系中观察到的真实世界的对应物，”卡姆拉指出。

通过在这些模拟中追踪中等质量黑洞的后续命运，天文学家确定了一个动荡时期，其特点是与其他恒星和恒星黑洞的剧烈相互作用，这可能导致它迅速从其母星团中驱逐出去，通常在几亿年内。这种弹出有效地限制了后孔的进一步增长。计算模型显示，虽然IMBH种子自然起源于星团内高能恒星相互作用，但它们获得超过几百个太阳质量的更大质量的趋势取决于环境的异常密度或质量。

悬而未决的科学难题

然而，一个关键的科学难题仍未解决：中等质量的黑洞是否是其较小的恒星对应物与巨大的超大质量黑洞之间缺失的一环。这个问题目前仍未得到解答，但这项研究为知情猜想打开了空间。

“我们需要两种成分来更好地澄清，”Arca Sedda解释说，“一个或多个过程能够形成中等质量的黑洞，并有可能将它们保持在宿主环境中。该研究对第一种成分进行了严格的限制，清楚地概述了哪些过程可能有助于IMBH的形成。考虑包含更多双星的更大质量星团可能有助于在未来获得第二种成分，尽管这对后续的模拟提出了具有挑战性的要求。

未来研究方向

有趣的是，在早期宇宙中形成的星团可能具有维持IMBH生长的合适品质。例如，在詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的帮助下，未来对这种古老星团的观测和新理论模型的发展，可能有助于解开中等质量黑洞和超大质量黑洞之间的关系。