臺北市立天文科學教育館

天文學家利用南非電波天文台（SARAO）當中南半球最大電波望遠鏡之一MeerKAT，在距離地球約40,000光年的球狀星團NGC 1851中，發現了一個引人注目的緻密天體。其質量為2.35太陽質量，超越了中子星質量上限，同時小於已知最小質量的黑洞，處於「中子星-黑洞質量差異」的區間。這可能是目前觀測到的最巨大中子星，也可能是已知最小質量的黑洞。該天體以極快的自轉速度繞著一顆毫秒脈衝星運行，被認為可能是首次發現的「脈衝星-黑洞」雙星，這罕見的組合提供了對愛因斯坦廣義相對論的新測試。這一研究結果已刊登在《科學》期刊上（Barr et al. 2024）。

脈衝星是由於中子星的快速自轉和強磁場而定期發出高度穩定的脈衝信號，被視為天文學上的精確時鐘。此次在研究脈衝星PSR J0514-4002E時，科學家透過微弱脈衝信號在時間上的變化，發現這顆脈衝星和另一顆緻密天體相互繞行，兩者之間的距離為800萬公里，約為地球和太陽之間距離的0.05倍。它們每七個地球日繞對方旋轉一次。這顆作為伴星的緻密天體的質量超過已知的任何中子星，但小於已知的任何黑洞。研究團隊傾向認為這顆緻密天體應該是由兩顆中子星合併而來的小型黑洞。

中子星是超新星爆炸後由恆星核心形成的緻密天體，其質量有其上限。一旦中子星獲得過多質量，例如吞噬另一顆恆星或與另一顆中子星碰撞，將進一步坍縮。坍縮後的結果引發了各種理論，其中最普遍的觀點是中子星坍縮成黑洞。目前理論和觀測顯示，由恆星坍縮形成的最輕黑洞質量約為太陽的5倍，遠大於中子星坍縮所需的2.2倍太陽質量。在這一質量差距中的緻密天體性質仍不明確，目前僅在偶爾的重力波觀測事件中發現中子星合併事件可以做相關的研究。因此，這次的新發現可說是解開這個謎團並填補質量差異的關鍵物體，也提供中子星-黑洞質量差異中的一個新的了解。

這份研究報告中模擬了這顆位於球狀星團中的未知緻密天體的軌道運行。一開始，脈衝星PSR J0514-4002E穩定地與一顆白矮星繞行，後來因為這顆未知緻密天體的加入，三體運動之後，白矮星被拋出去，最終變成脈衝星與未知緻密天體的繞行，被認為可能是首次發現的「脈衝星-黑洞」雙星。（編譯／段皓元）

影片說明：這個由science-x-network製作的影片顯示了未知緻密天體的所處的球狀星團NGC 1851以及其軌道運行模擬。一開始，脈衝星PSR J0514-4002E穩定地與一顆白矮星繞行，後來因為這顆未知緻密天體的加入，三體運動之後，白矮星被拋出去，最終變成脈衝星與未知緻密天體的繞行。

資料來源：SARAO