數以百萬計的隱形黑洞在我們的銀河系周圍自由漂浮。現在天文學家認為他們可以發現它們。
來自銀河系和其他星系的哈勃數據正在幫助天文學家了解一個原本不可見的謎團。NASA/ESA 和 G. Bacon (STScI)
當一顆質量是我們太陽 20 倍的恆星死亡時，它會在超新星中爆炸並擠回緻密的黑洞（在重力的幫助下）。但這種爆炸從來都不是完全對稱的，所以有時，由此產生的黑洞會飛向太空。這些遊盪的物體通常被稱為“流氓黑洞”，因為它們自由地漂浮着，不受其他天體的束縛。
但加州大學伯克利分校天文學副教授傑西卡·盧認為，這個名字可能是“用詞不當” 。她更喜歡用“自由漂浮”這個詞來描述這些黑洞。“流氓，”她說，暗示游牧民族是稀有或不尋常的——或者說是一無是處。
當然不是這樣。天文學家估計有多達 1 億個這樣的黑洞在我們的銀河系周圍遊盪。但是因為它們是孤獨的，所以很難找到它們。直到最近，這些所謂的流氓黑洞還只是通過理論和計算才知道。
“可以說，它們是鬼魂，”陸說，她的使命是尋找銀河系的自由漂浮的黑洞。
今年早些時候，兩個太空研究小組分別揭示了對這些漫遊黑洞之一的探測。其中一個團隊由Lu 實驗室的研究生Casey Lam領導。另一個由太空望遠鏡科學研究所的天文學家Kailash C. Sahu領導。兩個團隊都在沒有專家評審的情況下將他們的論文發表在免費的開放獲取期刊上。
科學家們將於 10 月從哈勃太空望遠鏡獲得更多數據，盧說這些數據應該有助於“解開這是黑洞還是中子星的謎團”。“關於恆星如何死亡以及它們留下的幽靈殘餘，仍然存在很多不確定性，”她指出。當比我們的太陽質量大得多的恆星耗盡核燃料時，它們被認為會坍縮成黑洞或中子星。“但我們並不確切知道哪些死亡並變成中子星或死亡並變成黑洞，”盧補充道。“我們不知道黑洞何時誕生，恆星何時死亡，是否有劇烈的超新星爆炸？還是直接坍縮成一個黑洞，打個嗝？”
恆星的東西構成了我們在世界上所知道的一切，了解恆星的來世是了解我們自己是如何形成的關鍵。
如何發現一個鬆散的黑洞
黑洞本質上是不可見的。它們捕獲所有遇到的光，因此人眼無法感知。因此，天文學家必須發揮創造力才能探測到這些緻密、黑暗的天體。
通常，他們會尋找可能由黑洞的強烈引力引起的氣體、塵埃、恆星和其他物質的異常。如果一個黑洞正在將物質從另一個天體上撕下，那麼圍繞黑洞的碎片盤就會清晰可見。（這就是天文學家在 2019 年拍攝的第一張直接圖像以及今年早些時候銀河系中心黑洞的圖像。）
但如果一個黑洞沒有用它的引力造成混亂，那麼幾乎沒有什麼可以探測到的。這些移動的黑洞通常就是這種情況。所以像陸這樣的天文學家使用了另一種稱為天體測量或引力微透鏡的技術。
“我們所做的是等待這些自由漂浮的黑洞之一和背景恆星的機會對齊，”盧解釋道。“當兩者對齊時，來自背景恆星的光會被[在它前面的]黑洞的引力扭曲。它顯示為恆星的變亮[在天文數據中]。可以這麼說，這也讓它在天空中短暫地晃蕩，有點搖擺不定。”
背景恆星實際上並沒有移動——相反，當黑洞或另一個緻密物體從它前面經過時，它似乎偏離了它的軌道。這是因為根據愛因斯坦的廣義相對論，黑洞的引力會扭曲時空結構，從而改變星光。
一個漫遊的黑洞可以穿過我們的天界並擾亂地球上的生命的可能性“微乎其微”。
天文學家使用微透鏡來研究宇宙中的各種臨時現象，從超新星到圍繞恆星運行的系外行星。但是用地面望遠鏡做起來很棘手，因為地球的大氣層會使圖像模糊。
“在天體測量中，您要非常精確地測量某物的位置，並且您需要非常清晰的圖像，”Lu 解釋說。因此，天文學家依賴於太空中的望遠鏡，比如哈勃望遠鏡，以及一些具有複雜系統以適應大氣干擾的地面儀器。“世界上真的只有三個設施可以進行這種天體測量，”盧說。“我們正處於我們今天的技術可以做到的最前沿。”
第一個流氓黑洞？
2011 年，她和薩胡的團隊在哈勃太空望遠鏡的數據中發現了這種亮度，或者 Lu 所說的“引力透鏡事件”。他們推測，一定有什麼東西從那顆恆星前面經過。
弄清楚是什麼導致了恆星光的擺動和強度變化，需要進行兩項測量：亮度和位置。隨着時間的推移，天文學家觀察天空中的同一點，以了解當物體經過恆星前方時光線如何變化。這為他們提供了計算該物體質量所需的數據，進而確定它是黑洞還是中子星。
“我們知道做鏡頭的東西很重。我們知道它比典型的恆星重。而且我們知道天很黑，”盧指出。“但我們仍然有點不確定到底有多重和到底有多黑。” 如果它只有一點點重，比如說，是我們太陽質量的一倍半，它實際上可能是一顆中子星。但如果它的質量是我們太陽的 3 到 10 倍，那麼它將是一個黑洞，Lu 解釋說。
當兩個團隊收集 2011 年至 2017 年的數據時，他們的分析揭示了這個緊湊物體的明顯不同的質量。薩胡的團隊確定，這個漫遊物體的質量是我們太陽的七倍，這將把它直接置於黑洞領域。但 Lam 和 Lu 的團隊計算出它的質量較小，介於 1.6 到 4.4 個太陽質量之間，這涵蓋了兩種可能性。
天文學家無法確定哪個計算是正確的，直到他們有機會知道背景恆星通常有多亮以及它在天空中的位置（當它前面沒有經過時）。盧解釋說，在注意到它異常的亮度和擺動之前，他們並沒有把注意力集中在那顆恆星上，所以他們現在才有機會在透鏡效應消退時進行這些基線觀察。這些觀察結果將來自秋季的新哈勃數據。
他們所知道的是，該物體位於銀河系的船底座-人馬座旋臂中，目前距離地球約 5,000 光年。盧說，這一發現還表明，距離最近的漫遊黑洞可能不到 100 光年。但這不是擔心的理由。
“黑洞是一種流失。如果你離得足夠近，它們就會吞噬你，”盧指出。“但你必須靠得非常近，比我想象的我們通常想象的要近得多。” 黑洞周圍的邊界標誌着光仍然可以逃脫其引力的線，稱為事件視界，通常半徑不到 20 英里。
盧說，一個漫遊的黑洞可以穿過我們的天界並擾亂地球上的生命的可能性“非常小”。“那是一座城市的大小。所以一個黑洞可能會經過太陽系，而我們幾乎不會注意到。”
但她不排除這種可能性。“我是一名科學家，”她說。“我不能說沒有機會。”
陸說，無論第一批團隊探測到的是漫遊黑洞還是中子星，“這兩篇論文所展示的真正革命是，我們現在可以結合亮度和位置測量來找到這些黑洞。” 這為發現更多捕捉光的游牧民族打開了大門，特別是隨着新望遠鏡的上線，包括目前在智利建造的維拉·C·魯賓天文台和計劃在本十年晚些時候發射的南希·格雷斯羅馬太空望遠鏡。
