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(jiǎn)單。首先要考慮的是，黑洞是黑的，黑洞的引力極強(qiáng)，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(wú)回的邊界）。這就意味著天文學(xué)家只能通過(guò)黑洞與其附近的其他星體之間的相互作用來(lái)檢測(cè)黑洞。比如，我們知道銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞 —— 人馬 A*（Sagittarius A*，簡(jiǎn)寫(xiě)為 Sgr A*），其質(zhì)量比太陽(yáng)大 400 萬(wàn)余倍。起先，天文學(xué)家觀察到一顆恒星圍繞著一個(gè)看不見(jiàn)的物體飛速運(yùn)動(dòng)，于是就推測(cè)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(jiǎng)。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(lái)，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(gè)壯觀的熱等離子環(huán)，這個(gè)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(gè)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(yáng)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(yùn)動(dòng)軌跡，我們得知了雙星系統(tǒng)中存在的這樣幾個(gè)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(gè)被廣為接受的是黑洞的源 。事實(shí)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(chǎng)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(lè)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(gè)黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)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(gè)天文單位。（天文學(xué)家將地球與太陽(yáng)之間的平均距離稱為天文單位，簡(jiǎn)稱 AU。）這顆藍(lán)巨星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的 20 到 40 倍，并且它也將在未來(lái)的某一天變成一個(gè)黑洞。它的恒星風(fēng)會(huì)源源不斷地把粒子吹向天鵝座 X-1，這個(gè)過(guò)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(guò)這種方式發(fā)現(xiàn)了其他幾個(gè)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(tuán)隊(duì)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(yáng)質(zhì)量的 65 億倍，吸積一個(gè)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(gè)星體之間距離更遠(yuǎn)的雙星系統(tǒng)呢？那些因?yàn)闆](méi)有伴星，所以沒(méi)有物質(zhì)可吸積的黑洞呢？有沒(méi)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(guò)，孤立的黑洞是黑的。但就在幾個(gè)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(kāi)始尋找黑洞。他回憶道：“讀博期間，我花了很多時(shí)間尋找非吸積黑洞，但并沒(méi)有找到?！蔽业谝淮斡鲆?jiàn)卡里姆的時(shí)候，我們還都在哈佛大學(xué)攻讀天文學(xué)博士后，當(dāng)時(shí)他已經(jīng)在天文領(lǐng)域聲名顯赫，被譽(yù)為“黑洞揭秘者”，盡管他本無(wú)意于這些名號(hào)?？ɡ锬坊舜罅繒r(shí)間，去證實(shí)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(shí)，他發(fā)現(xiàn)，這些論文作者壓根就沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黑洞。也就是說(shuō)，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(cè)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(cè)量天體，這意味著，蓋亞衛(wèi)星要收集數(shù)百萬(wàn)顆恒星的精確位置。每隔幾個(gè)月，蓋亞衛(wèi)星會(huì)精確測(cè)量并收集恒星在太空中的位置。隨著時(shí)間的推移，每顆恒星的位置數(shù)據(jù)變得越來(lái)越精確。每隔幾年，新發(fā)布的蓋亞數(shù)據(jù)就會(huì)更新先前的星表，引起轟動(dòng)。
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(gè)龐雜的新星表上運(yùn)行了一個(gè)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(gè)看不見(jiàn)的黑洞的伴星引起的。當(dāng)一顆恒星與另一個(gè)星體形成引力束縛系統(tǒng)時(shí)，這兩個(gè)（甚至三個(gè)或更多）物體會(huì)繞著一個(gè)名為質(zhì)心的共同中心旋轉(zhuǎn)。即使觀測(cè)不到第二個(gè)物體，但從地球上的角度來(lái)觀測(cè)，恒星也會(huì)前后移動(dòng)。一旦確定了其軌道，天文學(xué)家就可以通過(guò)開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律來(lái)計(jì)算其伴星的質(zhì)量。天文學(xué)家經(jīng)常使用這種技術(shù)來(lái)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(dòng)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(lái)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(guò)他的一通分析，在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)百萬(wàn)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(gè)黑洞運(yùn)動(dòng)。
這塊拼圖位置對(duì)嗎？
第一顆疑似黑洞伴星的恒星與太陽(yáng)非常相似。它的大小和質(zhì)量與太陽(yáng)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(cè)到。以上就是所有的相似之處了。與我們的太陽(yáng)不同的是，這顆恒星繞著一顆看不見(jiàn)的巨大伴星運(yùn)動(dòng)，繞行一圈的周期為六個(gè)月。兩星之間的距離大約和從火星到太陽(yáng)之間的距離一樣。通過(guò)后續(xù)觀測(cè)，研究人員確認(rèn)了這個(gè)軌道，并推算出，這顆看不見(jiàn)的星體的質(zhì)量是太陽(yáng)的 10 倍，比那顆可見(jiàn)的伴星大得多。而且該星體不可能是另一顆恒星，因?yàn)橐活w質(zhì)量如此巨大的恒星會(huì)更亮，比第一顆恒星更容易被發(fā)現(xiàn)。況且，沒(méi)有其他已知物體既有如此巨大的質(zhì)量，又是黑暗的。通過(guò)簡(jiǎn)單的排除法，我們能夠得出結(jié)論：這顆看不見(jiàn)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?lì)^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(shuō)，它不會(huì)從伴星中吸取物質(zhì)，形成吸積盤。以前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)類似這樣的星體。“因?yàn)檐壍赖膶挾纫恢北３植蛔?，所以我們可以由此研究黑洞自身的演化?！眲P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(gè)休眠的黑洞對(duì)于研究黑洞形成是一個(gè)了不起的寶藏?！?/p>
其中一個(gè)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(huì)隨著時(shí)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(shuō)，我們不理解蓋亞 BH1 系統(tǒng)（包括黑洞和類似太陽(yáng)的恒星）是如何形成的。這是因?yàn)?，先前已知的雙星系統(tǒng)中的黑洞，當(dāng)它們還是恒星的時(shí)候，有可能在演化過(guò)程中與同伴共享物質(zhì)。此外，毫無(wú)跡象表明，這顆類似太陽(yáng)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(gè)謎團(tuán)?！辈祭拙S克如是說(shuō)。
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(gè)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(shí)這種可能性非常困難。另一種可能是，類似太陽(yáng)的恒星和最終成為蓋亞 BH1 的恒星都是在同一個(gè)擁擠的星團(tuán)中誕生的，并被推入了同一個(gè)軌道。過(guò)了數(shù)百萬(wàn)年，現(xiàn)在很難證明該情景是否曾經(jīng)發(fā)生過(guò)。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)也引發(fā)了其他問(wèn)題：蓋亞 BH1 真的是一個(gè)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(cè)
正如卡里姆的科學(xué)聲譽(yù)是靠發(fā)現(xiàn)黑洞得來(lái)的一樣，我的科學(xué)聲譽(yù)是靠探測(cè)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(shí)發(fā)出的。2022 年末，當(dāng)蓋亞 BH1 的消息傳出時(shí)，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(guò)去問(wèn)：他或他的同事是否考慮過(guò)用新墨西哥州的甚大陣（VLA）專門觀測(cè)這個(gè)射電輻射源？畢竟，那顆類似太陽(yáng)的恒星會(huì)散發(fā)與太陽(yáng)相似的太陽(yáng)風(fēng)粒子。在這樣近的距離上，僅用幾個(gè)小時(shí)的甚大陣時(shí)間可能就足以探測(cè)到這些粒子落入黑洞時(shí)的輻射，或是來(lái)確定，這個(gè)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(cè)時(shí)間，以便獲得更好的觀測(cè)結(jié)果。不幸的是，在蓋亞 BH1 的位置上并沒(méi)有檢測(cè)到任何射電波。但也不全是壞消息。幾天后，觀測(cè)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(gè)可能存在的黑洞，如果查明該黑洞確實(shí)存在的話，那么，它將是離地球第二近的黑洞。而且，探測(cè)這個(gè)黑洞的射電輻射，可能更為合適。不過(guò)，該黑洞位于南半球，有興趣觀測(cè)一下嗎？”
我想任何一位天文學(xué)家都不會(huì)拒絕這樣的機(jī)會(huì)?？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(gè)天文單位（約等于太陽(yáng)到木星的距離），這意味著需要 3.5 年才能繞軌道運(yùn)行一圈。然而，幸運(yùn)的是，這對(duì)星體將在 2023 年 2 月離彼此最近（抵達(dá)近星點(diǎn)）。更重要的是，該雙星系統(tǒng)中的恒星是一顆紅巨星。太陽(yáng)遲早也會(huì)變成一顆紅巨星的，當(dāng)太陽(yáng)核心的氫燃燒殆盡時(shí)，太陽(yáng)會(huì)膨脹、冷卻變紅，并產(chǎn)生更強(qiáng)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(qiáng)的粒子流意味著我們更有可能探測(cè)到黑洞吸積輻射。如果我們?nèi)匀粺o(wú)法探測(cè)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(wú)法用當(dāng)前技術(shù)直接觀測(cè)到的黑洞。
我們加急撰寫(xiě)了觀測(cè)申請(qǐng)，獲批南非 MeerKAT 射電望遠(yuǎn)鏡的使用權(quán)。觀測(cè)計(jì)劃就安排在了近星點(diǎn)時(shí)刻。在一個(gè)瑞雪紛飛的冬季，我在周末醒來(lái)，毫無(wú)準(zhǔn)備地收到一封郵件，告訴我觀測(cè)成功了?，F(xiàn)在，真正的樂(lè)趣才剛剛開(kāi)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(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，只有一個(gè)理由占據(jù)了我的頭腦，就為了那個(gè)瞬間，那個(gè)熬過(guò)焦灼的等待，終于收到從世界的另一端傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)的瞬間。頃刻間，我成為了世界上唯一一個(gè)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(jué)？尤其是當(dāng)我們探究能否能探測(cè)到新型的黑洞時(shí)，這種感覺(jué)尤為強(qiáng)烈。我可以告訴你，這種感覺(jué)讓人上癮！
有時(shí)候，我的屏幕上會(huì)冒出一片空白的像素點(diǎn)，我也不意外，因?yàn)樘綔y(cè)工作哪有這么順利？雖然能探測(cè)輻射到總歸比探測(cè)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(diǎn)兒輻射也探測(cè)不到。根據(jù)我們對(duì)黑洞和恒星環(huán)境的理解，本該能探測(cè)到射電輻射的。但是，實(shí)際上，我們確實(shí)沒(méi)探測(cè)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(wú)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(qiáng)大的風(fēng)，把星體吹遠(yuǎn)了？我開(kāi)始興奮地想象所有可能導(dǎo)致我們探測(cè)不到輻射的原因。
我想到了一個(gè)從未直接探測(cè)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(méi)有伴星，估計(jì)有 1 億個(gè)這樣的黑洞在銀河系中默默漫游。我們是否能通過(guò)它們與游離氣體和塵埃之間偶爾的相互作用來(lái)探測(cè)到它們呢？蓋亞 BH2 的探測(cè)結(jié)果顯示，根本沒(méi)戲。深空并非絕對(duì)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(cè)不到輻射，由此可推：僅憑現(xiàn)在的技術(shù)，人類無(wú)法探測(cè)到吸積現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁輻射，從而探測(cè)不到孤立的黑洞。我們?nèi)孕枰喈?dāng)長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)確認(rèn)是否存在孤立的黑洞。這個(gè)想法從科幻故事中走出來(lái)，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(shí)。
這個(gè)新的黑洞家族可能是我們迄今為止能直接探測(cè)到的最黑的黑洞，觀測(cè)不到 X 射線或引力波。但令人興奮的是，我們對(duì)這些黑洞的研究才剛剛開(kāi)始。蓋亞衛(wèi)星的任務(wù)遠(yuǎn)未結(jié)束。歐洲空間局（ESA）計(jì)劃在 2030 年之前會(huì)通過(guò)測(cè)量數(shù)百萬(wàn)個(gè)星體來(lái)收集更加精確的數(shù)據(jù)。2025 年，等歐洲空間局到時(shí)候發(fā)布新一輪數(shù)據(jù)時(shí)，我們預(yù)計(jì)，會(huì)在星表中發(fā)現(xiàn)數(shù)十個(gè)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(lái)。
黑洞不會(huì)吸走一切！
關(guān)于黑洞有一個(gè)常見(jiàn)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(shí)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(duì)應(yīng)，不比太陽(yáng)、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(yáng)突然坍縮成一個(gè)黑洞。新形成的“黑洞太陽(yáng)”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(huì)按照之前的軌道繼續(xù)運(yùn)行，一切照舊。只有當(dāng)星體離黑洞太近時(shí)，才會(huì)被撕裂，就像現(xiàn)在太陽(yáng)把靠得太近的彗星撕裂一樣。但只要和黑洞保持距離，就沒(méi)有被吸進(jìn)去的危險(xiǎn)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(lái)自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Yvette Cendes
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