如何发现“不可见”黑洞？

作为背景光线透镜的黑洞概念图。来源：Dotted Yeti/Shutterstock

得益于周围的发光物质，天文学家于2019年定位并首次直接拍摄到了那幅激动人心的黑洞照片。然而实际上，有许多黑洞几乎无法被观测到。如今另外一支研究团队借助哈勃天文望远镜似乎发现了一些前所未见的线索：一个完全不可见的黑洞。相关研究已经提交《天体物理学杂志》，尚未进行同行评审。

黑洞是大型恒星死亡并坍缩后形成的极致密天体，它的引力非常强以至于光线都无法从中逃脱。天文学家渴望通过研究黑洞来了解恒星的死亡方式。通过测量黑洞质量，我们能够了解到形成它的恒星在内核坍缩、外层物质被抛射出去的最后时刻究竟发生了什么。

从定义来看黑洞似乎是不可见的，黑洞也以其捕获光的能力而得名。不过黑洞能够形成强大的引力场并与其它天体相互作用，因而通过观测这种相互作用我们能够（间接地）观测到黑洞，（截至目前）已经有数百个小型黑洞通过这种方式被观测到。

具体有两种观测黑洞的方法。其一是（观测）X射线双星，这是由一颗恒星与发射X射线的黑洞绕同一中心运动形成的双星系统，其中黑洞的引力场会从伴星吸取物质，这些物质环绕黑洞运动并由于相互间的摩擦而产生热量。加热后的物质被吸入黑洞并在消失前发射出明亮的X射线，使得黑洞变得可见。另外一种方式是观测正在合并的两个黑洞，它们螺旋接近并发出短暂的引力波闪光，在时空中荡起“涟漪”。

双星系统中较致密的天体（比如黑洞）吸收伴星的物质形成明亮的吸积盘并发射出X射线。来源：European Southern Observatory (ESO)

然而，还有一些游离于宇宙中的流氓黑洞，他们不与任何天体相互作用，因此很难被发现。这带来了一个难题：如果我们不能观测到这些孤立的黑洞，就无法了解其成因以及形成它们的恒星的死亡过程。

新的黑暗视界

过去数年来，为了发现这样的不可见黑洞，本文中的科研团队不得不将上述两种观测手段结合起来使用。这一振奋人心的发现为寻找以前无法观测到的孤立黑洞提供了新的思路。

人类拍摄的首张黑洞照片。来源：Event Horizon Telescope collaboration et al.

爱因斯坦的广义相对论预测质量超大的物体能够弯曲从旁经过的光线，这意味着任何贴近但未被引力吸入不可见黑洞的光线都将以类似透镜的方式被弯折，此即引力透镜。当前景物体与背景（发光）天体呈一条直线排列时，可以观测到后者发出的光线被弯折了。这一方法已经广泛用于天文研究，大到星系团，小到围绕恒星运动的行星。

前述论文作者综合两类引力透镜观测数据来搜索黑洞。这一发现始于天文学家们观测到一颗遥远恒星的亮度突然增强，之后又恢复正常；然而（在地球与这颗恒星之间）却没有发现任何产生引力透镜效应并导致亮度增加的前景天体。这一现象表明前景天体有可能是一颗之前从未观测到的孤立黑洞，或者仅仅是一颗比较暗的恒星。

哈勃空间望远镜拍摄到的遥远星体（左上第一幅图箭头所指）在2011~2017六年间的亮度变化：2011年8月该星体亮度增加到原来的12倍左右，2017年8月该星体亮度几乎恢复如初。来源：论文作者

辨识这颗天体究竟是黑洞还是比较暗的恒星有许多工作要做，而第二类引力透镜观测数据正好能派上用场。论文作者在6年间用哈勃望远镜（对准遥远恒星所在方向）重复拍照，测量这颗恒星在光线偏折时移动的距离。

最终他们计算出了引起透镜效应的天体的质量和（与地球之间的）距离：这颗天体约为7倍太阳质量，位于大约5000光年以外。这一距离听起来很远，（但对于天文领域）实则相当近，正常来讲这颗天体是完全可以观测到的。然而却看不到，因此合理推测它是一个孤立黑洞。

动用像哈勃望远镜这样的观测设备收集这些观测数据实属不易，因为它的观测日程表排得很满，竞争用户非常多。并且考虑到确认这类天体身份的难度，寄希望于发现更多类似天体（从而做对比）的前景并不乐观。幸运的是，我们正站在天文革命的起点，利用新一代观测设备，包括服役中的盖亚探测器，即将服役的Vera Rubin天文台和Nancy Grace Roman空间望远镜，能够以前所未有的精度对太空中大部分区域进行反复观测。

这些测量对天文学各个领域都意义巨大。对如此大面积的天空开展规律、高精度测量令我们能够研究在极短时间内发生变化的许多现象。另外，我们还将研究像小行星那样多变的天体，爆炸恒星即所谓的超新星和以新的方式绕恒星运动的行星等等。

这样回过头再去寻找看不见的黑洞时，找到黑洞就会变得日常，不用找到一颗就得敲锣打鼓。这将填补我们关于恒星死亡和黑洞形成过程的知识漏洞。最终，银河系中的不可见黑洞将变得无处可藏。

翻译：张宇哲

审校：董子晨曦

引进来源：物理学家组织网

本文来自：中国数字科技馆