在充滿了奇特迷人現(xiàn)象的宇宙中，很少有物體能像黑洞一樣挑戰(zhàn)著人類的想象力。
然而，發(fā)現(xiàn)新的黑洞并非易事 —— 何從尋起？最近的研究發(fā)現(xiàn)了一類新的黑洞，其中包括我們所知的離地球最近的黑洞。
作為一位天文學(xué)家，我已經(jīng)研究黑洞多年了。親身經(jīng)歷告訴我，找到新的黑洞并不像人們想得那么簡單。首先要考慮的是，黑洞是黑的，黑洞的引力極強，甚至連光 —— 宇宙中速度最快的物質(zhì)，都逃不出事件視界（黑洞周圍物質(zhì)有去無回的邊界）。這就意味著天文學(xué)家只能通過黑洞與其附近的其他星體之間的相互作用來檢測黑洞。比如，我們知道銀河系中心有一個超大質(zhì)量黑洞 —— 人馬 A*（Sagittarius A*，簡寫為 Sgr A*），其質(zhì)量比太陽大 400 萬余倍。起先，天文學(xué)家觀察到一顆恒星圍繞著一個看不見的物體飛速運動，于是就推測出了黑洞的存在。這一驚人的結(jié)果足以為這位天文學(xué)家贏得 2020 年的諾貝爾物理學(xué)獎。兩年后，在 2022 年 5 月，事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）的成員宣布，他們成功將全球的射電望遠(yuǎn)鏡連接起來，拍攝到了人馬 A * 的照片。這張照片展示了事件視界的外層的一個壯觀的熱等離子環(huán)，這個環(huán)是黑洞吸積貼近的雜散氣體 形成的。
黑洞 —— 最糟糕的宿主
雖然我們的銀河系只有一個超大質(zhì)量黑洞，但它卻是許多較小黑洞的宿主。這些黑洞伴隨著大質(zhì)量恒星（其質(zhì)量比太陽質(zhì)量大 18 倍多）的坍縮，在超新星爆發(fā)中形成。多虧了黑洞的伴星的運動軌跡，我們得知了雙星系統(tǒng)中存在的這樣幾個黑洞。最著名的是天鵝座 X-1（Cyg X-1）黑洞，盡管它距離我們約 7000 光年遠(yuǎn)，但它是天空中最明亮的 X 射線源之一。天鵝座 X-1 是首個被廣為接受的是黑洞的源 。事實上，天體物理學(xué)家基普?索恩（Kip Thorne）和斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）在 20 世紀(jì) 70 年代打了一場著名的賭，賭天鵝座 X-1 是否是黑洞。索恩認(rèn)為天鵝座 X-1 是黑洞，而霍金則認(rèn)為不是。在 20 世紀(jì) 90 年代初，一旦證據(jù)清晰明了，霍金還是很樂意承認(rèn)這是黑洞的。
如今，天文學(xué)家確信天鵝座 X-1 是一個黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 21 倍。有一顆藍(lán)巨星圍著它轉(zhuǎn)，繞行軌道距天鵝座 X-1 僅有 1/5 個天文單位。（天文學(xué)家將地球與太陽之間的平均距離稱為天文單位，簡稱 AU。）這顆藍(lán)巨星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的 20 到 40 倍，并且它也將在未來的某一天變成一個黑洞。它的恒星風(fēng)會源源不斷地把粒子吹向天鵝座 X-1，這個過程叫做吸積。我們所看到的明亮的 X 射線輻射正是由吸積造成的。研究人員還通過這種方式發(fā)現(xiàn)了其他幾個黑洞（甚至發(fā)現(xiàn)了中子星）。這類從鄰近的伴星上吸積物質(zhì)的致密天體，與其伴星，共同形成了 X 射線雙星。
歷經(jīng)兩年的辛勤投入，事件視界望遠(yuǎn)鏡團隊于 2019 年首次成功地拍攝到了 M87 星系中心的黑洞，得到了一幅的驚人圖像。該黑洞的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的 65 億倍，吸積一個旋轉(zhuǎn)的發(fā)光物質(zhì)盤，即圖中包裹著黑洞的那片明亮區(qū)域。
X 射線雙星是一種特殊的、非典型的系統(tǒng)。黑洞和伴星必須非常接近，才能感應(yīng)到伴星所釋放的物質(zhì)。那么，那些兩個星體之間距離更遠(yuǎn)的雙星系統(tǒng)呢？那些因為沒有伴星，所以沒有物質(zhì)可吸積的黑洞呢？有沒有辦法找到這樣的黑洞？
從歷史上看，答案是否定的。我提到過，孤立的黑洞是黑的。但就在幾個月前，歐洲空間局（ESA）的蓋亞任務(wù)和天文學(xué)家卡里姆?艾爾?巴德里（Kareem El-Badry）找到了辦法。
蓋亞天文衛(wèi)星：生命與精確數(shù)據(jù)之母
卡里姆現(xiàn)任加州理工學(xué)院天文學(xué)助理教授。他在加州大學(xué)伯克利分校攻讀博士學(xué)位期間，就開始尋找黑洞。他回憶道：“讀博期間，我花了很多時間尋找非吸積黑洞，但并沒有找到?！蔽业谝淮斡鲆娍ɡ锬返臅r候，我們還都在哈佛大學(xué)攻讀天文學(xué)博士后，當(dāng)時他已經(jīng)在天文領(lǐng)域聲名顯赫，被譽為“黑洞揭秘者”，盡管他本無意于這些名號?？ɡ锬坊舜罅繒r間，去證實其他天文學(xué)家發(fā)表的論文中所聲稱發(fā)現(xiàn)的黑洞。但當(dāng)他檢查那些論文中的數(shù)據(jù)時，他發(fā)現(xiàn)，這些論文作者壓根就沒有發(fā)現(xiàn)黑洞。也就是說，卡里姆發(fā)現(xiàn)這些可能存在的黑洞都經(jīng)不起審查。他表示：“那些論文中提到的黑洞根本不存在，而且探測黑洞的方法有待優(yōu)化?！?/p>
然而，有一種尋找黑洞的潛在方法引起了卡里姆的注意。該方法涉及到了蓋亞衛(wèi)星。該衛(wèi)星發(fā)射于 2013 年，旨在測量天體，這意味著，蓋亞衛(wèi)星要收集數(shù)百萬顆恒星的精確位置。每隔幾個月，蓋亞衛(wèi)星會精確測量并收集恒星在太空中的位置。隨著時間的推移，每顆恒星的位置數(shù)據(jù)變得越來越精確。每隔幾年，新發(fā)布的蓋亞數(shù)據(jù)就會更新先前的星表，引起轟動。
2022 年 6 月，最新的蓋亞衛(wèi)星數(shù)據(jù)（蓋亞 DR3）發(fā)布了，卡里姆也做好了準(zhǔn)備：僅在數(shù)據(jù)發(fā)布后的五分鐘內(nèi)，他就在這個龐雜的新星表上運行了一個程序，專門尋找那些在軌道中發(fā)生“搖晃”的恒星。這種搖晃恰是由一個看不見的黑洞的伴星引起的。當(dāng)一顆恒星與另一個星體形成引力束縛系統(tǒng)時，這兩個（甚至三個或更多）物體會繞著一個名為質(zhì)心的共同中心旋轉(zhuǎn)。即使觀測不到第二個物體，但從地球上的角度來觀測，恒星也會前后移動。一旦確定了其軌道，天文學(xué)家就可以通過開普勒行星運動定律來計算其伴星的質(zhì)量。天文學(xué)家經(jīng)常使用這種技術(shù)來探索系外行星。然而，在發(fā)射蓋亞衛(wèi)星之前，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不夠精確，不能用于追蹤黑洞。如今，蓋亞衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精確度夠了，足以使天文學(xué)家查探疑似 X 射線雙星活動的位置，看看是否存在搖晃現(xiàn)象。隨后，天文學(xué)家就能夠?qū)ふ疫@些“搖晃”的恒星來研究，看看它們是否可能是 X 射線雙星。
現(xiàn)在，卡里姆拿到了蓋亞 DR3 的數(shù)據(jù)，經(jīng)過他的一通分析，在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)百萬顆恒星中，有兩顆恒星與眾不同。分析完畢，結(jié)果顯示，這兩顆恒星正繞著離地球最近的兩個黑洞運動。
這塊拼圖位置對嗎？
第一顆疑似黑洞伴星的恒星與太陽非常相似。它的大小和質(zhì)量與太陽相當(dāng)，距離我們 1,560 光年。這顆恒星很亮，很容易被專業(yè)望遠(yuǎn)鏡觀測到。以上就是所有的相似之處了。與我們的太陽不同的是，這顆恒星繞著一顆看不見的巨大伴星運動，繞行一圈的周期為六個月。兩星之間的距離大約和從火星到太陽之間的距離一樣。通過后續(xù)觀測，研究人員確認(rèn)了這個軌道，并推算出，這顆看不見的星體的質(zhì)量是太陽的 10 倍，比那顆可見的伴星大得多。而且該星體不可能是另一顆恒星，因為一顆質(zhì)量如此巨大的恒星會更亮，比第一顆恒星更容易被發(fā)現(xiàn)。況且，沒有其他已知物體既有如此巨大的質(zhì)量，又是黑暗的。通過簡單的排除法，我們能夠得出結(jié)論：這顆看不見的伴星一定是黑洞?？ɡ锬方o該黑洞命名為蓋亞 BH1（Gaia BH1），這就是目前已知的，距離地球最近的黑洞。
這一發(fā)現(xiàn)登上了新聞頭條，震驚了天文學(xué)界。蓋亞 BH1 不僅比先前離地球最近的黑洞麒麟座 V616（V616 Monocerotis）還要近三倍，而且它是一顆休眠的黑洞，也就是說，它不會從伴星中吸取物質(zhì)，形成吸積盤。以前從未發(fā)現(xiàn)過類似這樣的星體。“因為軌道的寬度一直保持不變，所以我們可以由此研究黑洞自身的演化。”凱蒂?布雷維克（Katie Breivik）解釋道，她是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的一位研究恒星和黑洞演化的天文學(xué)家。凱蒂表示：“這個休眠的黑洞對于研究黑洞形成是一個了不起的寶藏?！?/p>
其中一個未知因素是該雙星系統(tǒng)最初是如何形成的。布雷維克表示：“由于雙星之間的相互作用，軌道會隨著時間變窄。目前，我們認(rèn)為不可能產(chǎn)生孤立存在的黑洞?！睋Q句話說，我們不理解蓋亞 BH1 系統(tǒng)（包括黑洞和類似太陽的恒星）是如何形成的。這是因為，先前已知的雙星系統(tǒng)中的黑洞，當(dāng)它們還是恒星的時候，有可能在演化過程中與同伴共享物質(zhì)。此外，毫無跡象表明，這顆類似太陽的伴星曾與其他恒星或黑洞之間產(chǎn)生近距離的相互作用?！斑@是個謎團?！辈祭拙S克如是說。
研究人員討論了幾種可能：例如，假設(shè)該系統(tǒng)最初是一個三星系統(tǒng)，其中一顆伴星被拋射出去，或者被黑洞吞噬了。但要證實這種可能性非常困難。另一種可能是，類似太陽的恒星和最終成為蓋亞 BH1 的恒星都是在同一個擁擠的星團中誕生的，并被推入了同一個軌道。過了數(shù)百萬年，現(xiàn)在很難證明該情景是否曾經(jīng)發(fā)生過。
這個發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了其他問題：蓋亞 BH1 真的是一個休眠的黑洞嗎？它是唯一的休眠黑洞嗎？這就是我想研究的課題。
要不要進(jìn)行探測
正如卡里姆的科學(xué)聲譽是靠發(fā)現(xiàn)黑洞得來的一樣，我的科學(xué)聲譽是靠探測黑洞發(fā)出的射電輻射贏得的。這種輻射通常是在黑洞撕裂恒星，并吞噬恒星時發(fā)出的。2022 年末，當(dāng)蓋亞 BH1 的消息傳出時，我正待在哈佛大學(xué)的辦公室里，就在卡里姆的隔壁，所以我趕緊跑過去問：他或他的同事是否考慮過用新墨西哥州的甚大陣（VLA）專門觀測這個射電輻射源？畢竟，那顆類似太陽的恒星會散發(fā)與太陽相似的太陽風(fēng)粒子。在這樣近的距離上，僅用幾個小時的甚大陣時間可能就足以探測到這些粒子落入黑洞時的輻射，或是來確定，這個黑洞的吸積速率一定非常低。
卡里姆同意了，并安排好了甚大陣觀測時間，以便獲得更好的觀測結(jié)果。不幸的是，在蓋亞 BH1 的位置上并沒有檢測到任何射電波。但也不全是壞消息。幾天后，觀測結(jié)果令人遺憾?？ɡ锬繁硎荆骸霸谏w亞衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)中，我還發(fā)現(xiàn)了另一個可能存在的黑洞，如果查明該黑洞確實存在的話，那么，它將是離地球第二近的黑洞。而且，探測這個黑洞的射電輻射，可能更為合適。不過，該黑洞位于南半球，有興趣觀測一下嗎？”
我想任何一位天文學(xué)家都不會拒絕這樣的機會?？ɡ锬吩敿?xì)地向我介紹了情況：蓋亞 BH2 距離地球約 3800 光年，比蓋亞 BH1 更遠(yuǎn)。蓋亞 BH2 與其伴星相距 5 個天文單位（約等于太陽到木星的距離），這意味著需要 3.5 年才能繞軌道運行一圈。然而，幸運的是，這對星體將在 2023 年 2 月離彼此最近（抵達(dá)近星點）。更重要的是，該雙星系統(tǒng)中的恒星是一顆紅巨星。太陽遲早也會變成一顆紅巨星的，當(dāng)太陽核心的氫燃燒殆盡時，太陽會膨脹、冷卻變紅，并產(chǎn)生更強的星風(fēng)。所以，雖然蓋亞 BH2 比蓋亞 BH1 離地球更遠(yuǎn)，但它所散射的更強的粒子流意味著我們更有可能探測到黑洞吸積輻射。如果我們?nèi)匀粺o法探測到任何輻射，那就意味著我們發(fā)現(xiàn)了新一類黑洞，一類無法用當(dāng)前技術(shù)直接觀測到的黑洞。
我們加急撰寫了觀測申請，獲批南非 MeerKAT 射電望遠(yuǎn)鏡的使用權(quán)。觀測計劃就安排在了近星點時刻。在一個瑞雪紛飛的冬季，我在周末醒來，毫無準(zhǔn)備地收到一封郵件，告訴我觀測成功了?，F(xiàn)在，真正的樂趣才剛剛開始！
我選擇當(dāng)一名天文學(xué)家的理由有很多，但每當(dāng)我得到新的觀測數(shù)據(jù)時，只有一個理由占據(jù)了我的頭腦，就為了那個瞬間，那個熬過焦灼的等待，終于收到從世界的另一端傳輸過來的數(shù)據(jù)時的瞬間。頃刻間，我成為了世界上唯一一個知道宇宙最新訊息的人。我該怎么描述這般充斥靈魂的感覺？尤其是當(dāng)我們探究能否能探測到新型的黑洞時，這種感覺尤為強烈。我可以告訴你，這種感覺讓人上癮！
有時候，我的屏幕上會冒出一片空白的像素點，我也不意外，因為探測工作哪有這么順利？雖然能探測輻射到總歸比探測不到輻射更令人興奮，但是，這一次，我很驚訝的是，我們竟然一點兒輻射也探測不到。根據(jù)我們對黑洞和恒星環(huán)境的理解，本該能探測到射電輻射的。但是，實際上，我們確實沒探測到任何輻射。這意味著，那些星風(fēng)粒子一直離蓋亞 BH2 的事件視界靠得不夠近，所以不能產(chǎn)生吸積現(xiàn)象，也就無法產(chǎn)生射電波。這就可能意味著，某種物質(zhì)在阻止兩星體靠近。也許是事件視界附近有一股強大的風(fēng)，把星體吹遠(yuǎn)了？我開始興奮地想象所有可能導(dǎo)致我們探測不到輻射的原因。
我想到了一個從未直接探測到的、僅存于猜想之中的黑洞家族，即孤立黑洞，或離群黑洞。這類黑洞沒有伴星，估計有 1 億個這樣的黑洞在銀河系中默默漫游。我們是否能通過它們與游離氣體和塵埃之間偶爾的相互作用來探測到它們呢？蓋亞 BH2 的探測結(jié)果顯示，根本沒戲。深空并非絕對真空，但它比蓋亞黑洞附近的空間要空曠得多。蓋亞 BH1 和 BH2 均探測不到輻射，由此可推：僅憑現(xiàn)在的技術(shù)，人類無法探測到吸積現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁輻射，從而探測不到孤立的黑洞。我們?nèi)孕枰喈?dāng)長的時間來確認(rèn)是否存在孤立的黑洞。這個想法從科幻故事中走出來，令人神往又恐懼，而我收集到的射電數(shù)據(jù)將想法變成了現(xiàn)實。
這個新的黑洞家族可能是我們迄今為止能直接探測到的最黑的黑洞，觀測不到 X 射線或引力波。但令人興奮的是，我們對這些黑洞的研究才剛剛開始。蓋亞衛(wèi)星的任務(wù)遠(yuǎn)未結(jié)束。歐洲空間局（ESA）計劃在 2030 年之前會通過測量數(shù)百萬個星體來收集更加精確的數(shù)據(jù)。2025 年，等歐洲空間局到時候發(fā)布新一輪數(shù)據(jù)時，我們預(yù)計，會在星表中發(fā)現(xiàn)數(shù)十個這類新的黑洞家族的成員，待我們?nèi)ヌ綄?。我們將?zhǔn)備就緒，迎接這一天的到來。
黑洞不會吸走一切！
關(guān)于黑洞有一個常見的誤解，人們誤以為黑洞類似于宇宙中的真空吸塵器，吸入并吞噬靠近的一切物質(zhì)。然而，事實并非如此。雖然黑洞體積極小、質(zhì)量巨大，但它的引力和其質(zhì)量對應(yīng)，不比太陽、地球或其他有質(zhì)量的星體的引力更大。
比如，想象一下，太陽突然坍縮成一個黑洞。新形成的“黑洞太陽”質(zhì)量不變，只是半徑變得只有大約一英里（約 1.6 公里）。令人驚奇的是，地球和其他行星仍然會按照之前的軌道繼續(xù)運行，一切照舊。只有當(dāng)星體離黑洞太近時，才會被撕裂，就像現(xiàn)在太陽把靠得太近的彗星撕裂一樣。但只要和黑洞保持距離，就沒有被吸進(jìn)去的危險了。
作者：Yvette Cendes
翻譯：邊穎
審校：侯志鵬
原文鏈接：How do you find a black hole? An astronomer explains the thrilling hunt
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Yvette Cendes
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