光明网讯 2月21日，记者从中国科学院国家天文台获悉，该院黄样团队近日在《国家科学评论》发表突破性研究成果，通过追踪一颗以550公里/秒（相当于2分钟绕地球赤道1.7圈）飞驰的“逃亡恒星”，首次为球状星团M15中心存在中等质量黑洞提供直接证据。

  图1：来自球状星团的逃逸之星：中等质量黑洞存在证据链的最后一环艺术想象图 （喻京川设计）

  黑洞家族的“最后拼图”

  在宇宙深处，黑洞家族始终存在一个令人困惑的断层：我们既熟悉恒星级黑洞（如天鹅座X-1），也观测到星系中心的“巨无霸”超大质量黑洞（如银河系中心的Sgr A），但质量介于两者之间的中等质量黑洞（IMBH）却如同幽灵般难以捉摸。这类质量相当于数百至数万倍太阳的黑洞，被认为是小质量黑洞成长为星系级黑洞的必经之路，但过去二十年仅有零星争议性发现。

  球状星团被认为是中等质量黑洞最理想的潜藏场所。然而传统探测手段如同“雾里看花”：哈勃望远镜虽在M15星团中心5200天文单位（AU）处发现异常速度分布，但该区域可能聚集着数千颗致密星；脉冲星计时法则因探测距离更远，始终无法排除其他可能性。如何穿透这层“迷雾”，成为验证IMBH存在的终极挑战。

  “星际弹弓”的物理密码

  中国科学院国家天文台黄样团队另辟蹊径，将目光投向宇宙中的"逃亡者"——高速星，通过对盖亚卫星（Gaia）和郭守敬望远镜（LAMOST）等观测数据发现的近千颗高速星展开溯源追踪，最终锁定特殊目标J0731+3717。

  图2：J0731+3717与M15的轨道关联（a）、化学关联（b）与年龄关联（c）

  这颗恒星展现出三大关键特征：一是超高速逃亡：2000万年前以550公里/秒从M15弹射，速度甚至超过太阳出逃离银河系的速度；二是其金属丰度、年龄与M15高度吻合（见图2）；三是其弹射机制：唯有当密近双星在距离IMBH仅1AU处被潮汐力撕裂，才能产生如此速度。

  “这就像用弹弓发射石子”，论文共同第一作者黄样解释，“当双星系统掠过黑洞时，一颗被黑洞吞噬，另一颗则获得巨大动能被弹射——这种希尔机制产生的速度，传统恒星间散射过程根本无法解释。”

  锁定黑洞的关键一环

  研究团队通过5.4σ置信度验证（相当于99.9999%确定性），证明J0731+3717的弹射必须依赖一个质量约2000倍太阳的致密天体。该天体的作用范围被严格限制在数AU内——这个尺度仅能容纳单个黑洞，彻底排除了数千颗中子星聚集的可能性。

  “传统方法如同在足球场找蚂蚁，而我们的技术相当于用显微镜锁定特定区域。”论文共同通讯作者刘继峰研究员比喻道。

  随着Gaia和如LAMOST等地面大规模光谱巡天数据的不断积累，该团队有望在不久的将来至少还能发现数颗像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。（宋雅娟）

  延伸阅读：

  1、希尔机制：银河中心的超大质量黑洞通过三体相互作用，将位于其潮汐半径内的双星系统中的一颗恒星加速至超高速，使其能够突破银河系的引力束缚，逃逸进入星际空间。

  2、1天文单位（AU=地球到太阳的平均距离≈1.5亿公里

  3、5.4σ置信度：在粒子物理领域，5σ（99.99994%）是宣布发现的黄金标准。