近日，由中国科学院大学、国家天文台、云南天文台、北京大学、北京师范大学等单位研究人员组成的课题组，提出通过搜寻球状星团中因引力弹弓效应（希尔机制）弹射的高速星，来为‘神隐’已久的中等质量黑洞提供确凿证据。通过对Gaia和LAMOST等数据发现的近千颗高速星及银河系中百余个球状星团进行详细的轨道回溯，研究团队发现高速星J0731+3717在约2000万年前以接近550 km/s的超高速度从球状星团M15中弹射出来（置信度高达5.4σ）。这一极高的弹射速度最可能源于希尔机制，揭示了M15中心可能存在中等质量黑洞。此成果在《国家科学评论》（National Science Review）2025年2月刊以封面文章形式发表，标题为“A high-velocity star recently ejected by an intermediate-mass black hole in M15”。中国科学院大学黄样副教授是该论文的共同第一作者和通讯作者。中国科学院云南天文台研究生李清政（已毕业）是该论文的共同第一作者，中国科学院国家天文台刘继峰研究员、中国科学院云南天文台董小波研究员和北京大学张华伟教授为该论文的共同通讯作者。
在宇宙中，由大质量恒星死亡形成的恒星级黑洞（例如让霍金‘认赌服输’的天鹅座X-1）和存在于每个大型星系中心的超大质量黑洞（如银河系中心的Sgr A*）早已为人所知。然而，质量介于二者之间的中等质量（IMBH）黑洞通常被认为是恒星级黑洞成长为超大质量黑洞的关键中间环节，但目前只发现了少数存在争议的候选体。这类黑洞究竟是否存在，长期以来一直困扰着天文学家。
球状星团被认为是中等质量黑洞最理想的潜藏场所。由于球状星团中心极高的恒星密度，IMBH可以通过两种方式形成：一种是恒星的反复并合形成一个(超)大质量恒星后，再塌缩成黑洞（快速模式）；另一种是一些恒星级的小黑洞的反复并合，形成一个中等质量的黑洞（慢速模式）。早在本世纪初，科学家们就利用哈勃空间望远镜（HST）搭载的超高空间分辨率的太空望远镜影像摄谱仪对球状星团M15进行了观测，获得了其视向速度弥散曲线。结合N体数值模拟建模，研究人员限制得出M15中心可能存在一个重达1700至3200太阳质量的中等质量黑洞。然而，该结果发表后，许多研究团队提出了质疑：HST测得的视向速度弥散曲线距离星团中心仍有0.5角秒（对应星团位置约5200 AU），在此范围内除了中等质量黑洞外，还可能有数千颗致密星。近来，科学家利用HST历年来拍摄的500余幅图像，在半人马座欧米伽星团中发现了7颗束缚的高速星。这一发现被解释为可能需要一个中等质量黑洞（IMBH）来束缚这些恒星。然而，这些恒星距离星团中心最近的位置仍超过1000 AU。后续研究还利用脉冲星计时方法报道了球状星团中存在中等质量黑洞的迹象，但由于所用脉冲星距离星团中心更远，同样面临无法排除为一群致密星的可能性。因此，如何找到有效的方法在距离球状星团中心尽可能近的位置探测中等质量黑洞，成为了确定中等质量黑洞存在证据链的最后一环（参见图1的测量原理示意图）。
图1：传统速度弥散曲线和脉冲星计时法（左）与高速星溯源轨道法（右）搜寻区域的对比。
为解决上述困境，本研究团队提出利用中等质量黑洞可以撕开紧邻它们快速绕转密近双星的引力弹弓效应（希尔机制），来限制中心质量的集中范围。通过对Gaia和LAMOST等数据发现的近千颗高速星（总速度大于400 km/s）及银河系中百余个球状星团进行详细的轨道回溯，研究团队发现一颗高速星J0731+3717在约2000万年前以接近550 km/s的超高速度从球状星团M15中弹射而出。除此之外，J0731+3717还有着与M15高度一致的化学丰度和年龄（如图2所示）。自球状星团中弹射如此高速的恒星，就需要一个密近双星从数千个太阳质量的中等质量黑洞的一个天文单位附近经过时被强大的潮汐力撕开，一颗星被黑洞捕获，而另外一颗星则被高速弹出。这个独特的发现利用引力弹弓效应首次把数千个太阳质量限制在几个天文单位之内，因此不可能是数千个中子星/恒星级黑洞，而只能是一个黑洞，即M15中心确实存在一个中等质量黑洞。该研究通过发现首颗因球状星团中引力弹弓效应弹射的高速星J0731+3717，打通了中等质量黑洞存在证据链的最后一环。
随着Gaia和如LAMOST等地面大规模光谱巡天数据的不断积累，该团队预计在不久的将来至少还能发现数颗J0731+3717一样从球状星团中弹射出来的高速星，这将极大地推动我们对‘神秘’中等质量黑洞的理解。
图2：J0731+3717与M15的轨道关联（a）、化学关联（b）与年龄关联（c）。
文章链接：https://academic.oup.com/nsr/article/12/2/nwae347/7810597
