“流氓黑洞”可能既不是“流氓”也不是“黑洞”

数以百万计的隐形黑洞在我们的银河系周围自由漂浮。现在天文学家认为他们可以发现它们。

来自银河系和其他星系的哈勃数据正在帮助天文学家了解一个原本不可见的谜团。NASA/ESA 和 G. Bacon (STScI)

当一颗质量是我们太阳 20 倍的恒星死亡时，它会在超新星中爆炸并挤回致密的黑洞（在重力的帮助下）。但这种爆炸从来都不是完全对称的，所以有时，由此产生的黑洞会飞向太空。这些游荡的物体通常被称为“流氓黑洞”，因为它们自由地漂浮着，不受其他天体的束缚。

但加州大学伯克利分校天文学副教授杰西卡·卢认为，这个名字可能是“用词不当” 。她更喜欢用“自由漂浮”这个词来描述这些黑洞。“流氓，”她说，暗示游牧民族是稀有或不寻常的——或者说是一无是处。

当然不是这样。天文学家估计有多达 1 亿个这样的黑洞在我们的银河系周围游荡。但是因为它们是孤独的，所以很难找到它们。直到最近，这些所谓的流氓黑洞还只是通过理论和计算才知道。

“可以说，它们是鬼魂，”陆说，她的使命是寻找银河系的自由漂浮的黑洞。

今年早些时候，两个太空研究小组分别揭示了对这些漫游黑洞之一的探测。其中一个团队由Lu 实验室的研究生Casey Lam领导。另一个由太空望远镜科学研究所的天文学家Kailash C. Sahu领导。两个团队都在没有专家评审的情况下将他们的论文发表在免费的开放获取期刊上。

科学家们将于 10 月从哈勃太空望远镜获得更多数据，卢说这些数据应该有助于“解开这是黑洞还是中子星的谜团”。“关于恒星如何死亡以及它们留下的幽灵残余，仍然存在很多不确定性，”她指出。当比我们的太阳质量大得多的恒星耗尽核燃料时，它们被认为会坍缩成黑洞或中子星。“但我们并不确切知道哪些死亡并变成中子星或死亡并变成黑洞，”卢补充道。“我们不知道黑洞何时诞生，恒星何时死亡，是否有剧烈的超新星爆炸？还是直接坍缩成一个黑洞，打个嗝？”

恒星的东西构成了我们在世界上所知道的一切，了解恒星的来世是了解我们自己是如何形成的关键。

如何发现一个松散的黑洞

黑洞本质上是不可见的。它们捕获所有遇到的光，因此人眼无法感知。因此，天文学家必须发挥创造力才能探测到这些致密、黑暗的天体。

通常，他们会寻找可能由黑洞的强烈引力引起的气体、尘埃、恒星和其他物质的异常。如果一个黑洞正在将物质从另一个天体上撕下，那么围绕黑洞的碎片盘就会清晰可见。（这就是天文学家在 2019 年拍摄的第一张直接图像以及今年早些时候银河系中心黑洞的图像。）

但如果一个黑洞没有用它的引力造成混乱，那么几乎没有什么可以探测到的。这些移动的黑洞通常就是这种情况。所以像陆这样的天文学家使用了另一种称为天体测量或引力微透镜的技术。

“我们所做的是等待这些自由漂浮的黑洞之一和背景恒星的机会对齐，”卢解释道。“当两者对齐时，来自背景恒星的光会被[在它前面的]黑洞的引力扭曲。它显示为恒星的变亮[在天文数据中]。可以这么说，这也让它在天空中短暂地晃荡，有点摇摆不定。”

背景恒星实际上并没有移动——相反，当黑洞或另一个致密物体从它前面经过时，它似乎偏离了它的轨道。这是因为根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞的引力会扭曲时空结构，从而改变星光。

一个漫游的黑洞可以穿过我们的天界并扰乱地球上的生命的可能性“微乎其微”。

天文学家使用微透镜来研究宇宙中的各种临时现象，从超新星到围绕恒星运行的系外行星。但是用地面望远镜做起来很棘手，因为地球的大气层会使图像模糊。

“在天体测量中，您要非常精确地测量某物的位置，并且您需要非常清晰的图像，”Lu 解释说。因此，天文学家依赖于太空中的望远镜，比如哈勃望远镜，以及一些具有复杂系统以适应大气干扰的地面仪器。“世界上真的只有三个设施可以进行这种天体测量，”卢说。“我们正处于我们今天的技术可以做到的最前沿。”

第一个流氓黑洞？

2011 年，她和萨胡的团队在哈勃太空望远镜的数据中发现了这种亮度，或者 Lu 所说的“引力透镜事件”。他们推测，一定有什么东西从那颗恒星前面经过。

弄清楚是什么导致了恒星光的摆动和强度变化，需要进行两项测量：亮度和位置。随着时间的推移，天文学家观察天空中的同一点，以了解当物体经过恒星前方时光线如何变化。这为他们提供了计算该物体质量所需的数据，进而确定它是黑洞还是中子星。

“我们知道做镜头的东西很重。我们知道它比典型的恒星重。而且我们知道天很黑，”卢指出。“但我们仍然有点不确定到底有多重和到底有多黑。” 如果它只有一点点重，比如说，是我们太阳质量的一倍半，它实际上可能是一颗中子星。但如果它的质量是我们太阳的 3 到 10 倍，那么它将是一个黑洞，Lu 解释说。

当两个团队收集 2011 年至 2017 年的数据时，他们的分析揭示了这个紧凑物体的明显不同的质量。萨胡的团队确定，这个漫游物体的质量是我们太阳的七倍，这将把它直接置于黑洞领域。但 Lam 和 Lu 的团队计算出它的质量较小，介于 1.6 到 4.4 个太阳质量之间，这涵盖了两种可能性。

天文学家无法确定哪个计算是正确的，直到他们有机会知道背景恒星通常有多亮以及它在天空中的位置（当它前面没有经过时）。卢解释说，在注意到它异常的亮度和摆动之前，他们并没有把注意力集中在那颗恒星上，所以他们现在才有机会在透镜效应消退时进行这些基线观察。这些观察结果将来自秋季的新哈勃数据。

他们所知道的是，该物体位于银河系的船底座-人马座旋臂中，目前距离地球约 5,000 光年。卢说，这一发现还表明，距离最近的漫游黑洞可能不到 100 光年。但这不是担心的理由。

“黑洞是一种流失。如果你离得足够近，它们就会吞噬你，”卢指出。“但你必须靠得非常近，比我想象的我们通常想象的要近得多。” 黑洞周围的边界标志着光仍然可以逃脱其引力的线，称为事件视界，通常半径不到 20 英里。

卢说，一个漫游的黑洞可以穿过我们的天界并扰乱地球上的生命的可能性“非常小”。“那是一座城市的大小。所以一个黑洞可能会经过太阳系，而我们几乎不会注意到。”

但她不排除这种可能性。“我是一名科学家，”她说。“我不能说没有机会。”

陆说，无论第一批团队探测到的是漫游黑洞还是中子星，“这两篇论文所展示的真正革命是，我们现在可以结合亮度和位置测量来找到这些黑洞。” 这为发现更多捕捉光的游牧民族打开了大门，特别是随着新望远镜的上线，包括目前在智利建造的维拉·C·鲁宾天文台和计划在本十年晚些时候发射的南希·格雷斯罗马太空望远镜。