在充满了奇特迷人现象的宇宙中，很少有物体能像黑洞一样挑战着人类的想象力。
然而，发现新的黑洞并非易事 —— 何从寻起？最近的研究发现了一类新的黑洞，其中包括我们所知的离地球最近的黑洞。
作为一位天文学家，我已经研究黑洞多年了。亲身经历告诉我，找到新的黑洞并不像人们想得那么简单。首先要考虑的是，黑洞是黑的，黑洞的引力极强，甚至连光 —— 宇宙中速度最快的物质，都逃不出事件视界（黑洞周围物质有去无回的边界）。这就意味着天文学家只能通过黑洞与其附近的其他星体之间的相互作用来检测黑洞。比如，我们知道银河系中心有一个超大质量黑洞 —— 人马 A*（Sagittarius A*，简写为 Sgr A*），其质量比太阳大 400 万余倍。起先，天文学家观察到一颗恒星围绕着一个看不见的物体飞速运动，于是就推测出了黑洞的存在。这一惊人的结果足以为这位天文学家赢得 2020 年的诺贝尔物理学奖。两年后，在 2022 年 5 月，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）的成员宣布，他们成功将全球的射电望远镜连接起来，拍摄到了人马 A * 的照片。这张照片展示了事件视界的外层的一个壮观的热等离子环，这个环是黑洞吸积贴近的杂散气体 形成的。
虽然我们的银河系只有一个超大质量黑洞，但它却是许多较小黑洞的宿主。这些黑洞伴随着大质量恒星（其质量比太阳质量大 18 倍多）的坍缩，在超新星爆发中形成。多亏了黑洞的伴星的运动轨迹，我们得知了双星系统中存在的这样几个黑洞。最著名的是天鹅座 X-1（Cyg X-1）黑洞，尽管它距离我们约 7000 光年远，但它是天空中最明亮的 X 射线源之一。天鹅座 X-1 是首个被广为接受的是黑洞的源 。事实上，天体物理学家基普・索恩（Kip Thorne）和斯蒂芬・霍金（Stephen Hawking）在 20 世纪 70 年代打了一场著名的赌，赌天鹅座 X-1 是否是黑洞。索恩认为天鹅座 X-1 是黑洞，而霍金则认为不是。在 20 世纪 90 年代初，一旦证据清晰明了，霍金还是很乐意承认这是黑洞的。
如今，天文学家确信天鹅座 X-1 是一个黑洞，其质量约为太阳质量的 21 倍。有一颗蓝巨星围着它转，绕行轨道距天鹅座 X-1 仅有 1/5 个天文单位。（天文学家将地球与太阳之间的平均距离称为天文单位，简称 AU。）这颗蓝巨星的质量是太阳质量的 20 到 40 倍，并且它也将在未来的某一天变成一个黑洞。它的恒星风会源源不断地把粒子吹向天鹅座 X-1，这个过程叫做吸积。我们所看到的明亮的 X 射线辐射正是由吸积造成的。研究人员还通过这种方式发现了其他几个黑洞（甚至发现了中子星）。这类从邻近的伴星上吸积物质的致密天体，与其伴星，共同形成了X 射线双星。
历经两年的辛勤投入，事件视界望远镜团队于 2019 年首次成功地拍摄到了 M87 星系中心的黑洞，得到了一幅的惊人图像。该黑洞的质量约为太阳质量的 65 亿倍，吸积一个旋转的发光物质盘，即图中包裹着黑洞的那片明亮区域。
X 射线双星是一种特殊的、非典型的系统。黑洞和伴星必须非常接近，才能感应到伴星所释放的物质。那么，那些两个星体之间距离更远的双星系统呢？那些因为没有伴星，所以没有物质可吸积的黑洞呢？有没有办法找到这样的黑洞？
从历史上看，答案是否定的。我提到过，孤立的黑洞是黑的。但就在几个月前，欧洲空间局（ESA）的盖亚任务和天文学家卡里姆・艾尔・巴德里（Kareem El-Badry）找到了办法。
卡里姆现任加州理工学院天文学助理教授。他在加州大学伯克利分校攻读博士学位期间，就开始寻找黑洞。他回忆道：“读博期间，我花了很多时间寻找非吸积黑洞，但并没有找到。”我第一次遇见卡里姆的时候，我们还都在哈佛大学攻读天文学博士后，当时他已经在天文领域声名显赫，被誉为“黑洞揭秘者”，尽管他本无意于这些名号。卡里姆花了大量时间，去证实其他天文学家发表的论文中所声称发现的黑洞。但当他检查那些论文中的数据时，他发现，这些论文作者压根就没有发现黑洞。也就是说，卡里姆发现这些可能存在的黑洞都经不起审查。他表示：“那些论文中提到的黑洞根本不存在，而且探测黑洞的方法有待优化。”
然而，有一种寻找黑洞的潜在方法引起了卡里姆的注意。该方法涉及到了盖亚卫星。该卫星发射于 2013 年，旨在测量天体，这意味着，盖亚卫星要收集数百万颗恒星的精确位置。每隔几个月，盖亚卫星会精确测量并收集恒星在太空中的位置。随着时间的推移，每颗恒星的位置数据变得越来越精确。每隔几年，新发布的盖亚数据就会更新先前的星表，引起轰动。
2022 年 6 月，最新的盖亚卫星数据（盖亚 DR3）发布了，卡里姆也做好了准备：仅在数据发布后的五分钟内，他就在这个庞杂的新星表上运行了一个程序，专门寻找那些在轨道中发生“摇晃”的恒星。这种摇晃恰是由一个看不见的黑洞的伴星引起的。当一颗恒星与另一个星体形成引力束缚系统时，这两个（甚至三个或更多）物体会绕着一个名为质心的共同中心旋转。即使观测不到第二个物体，但从地球上的角度来观测，恒星也会前后移动。一旦确定了其轨道，天文学家就可以通过开普勒行星运动定律来计算其伴星的质量。天文学家经常使用这种技术来探索系外行星。然而，在发射盖亚卫星之前，数据远不够精确，不能用于追踪黑洞。如今，盖亚卫星数据的精确度够了，足以使天文学家查探疑似 X 射线双星活动的位置，看看是否存在摇晃现象。随后，天文学家就能够寻找这些“摇晃”的恒星来研究，看看它们是否可能是 X 射线双星。
现在，卡里姆拿到了盖亚 DR3 的数据，经过他的一通分析，在数据库中的数百万颗恒星中，有两颗恒星与众不同。分析完毕，结果显示，这两颗恒星正绕着离地球最近的两个黑洞运动。
第一颗疑似黑洞伴星的恒星与太阳非常相似。它的大小和质量与太阳相当，距离我们 1,560 光年。这颗恒星很亮，很容易被专业望远镜观测到。以上就是所有的相似之处了。与我们的太阳不同的是，这颗恒星绕着一颗看不见的巨大伴星运动，绕行一圈的周期为六个月。两星之间的距离大约和从火星到太阳之间的距离一样。通过后续观测，研究人员确认了这个轨道，并推算出，这颗看不见的星体的质量是太阳的 10 倍，比那颗可见的伴星大得多。而且该星体不可能是另一颗恒星，因为一颗质量如此巨大的恒星会更亮，比第一颗恒星更容易被发现。况且，没有其他已知物体既有如此巨大的质量，又是黑暗的。通过简单的排除法，我们能够得出结论：这颗看不见的伴星一定是黑洞。卡里姆给该黑洞命名为盖亚 BH1（Gaia BH1），这就是目前已知的，距离地球最近的黑洞。
这一发现登上了新闻头条，震惊了天文学界。盖亚 BH1 不仅比先前离地球最近的黑洞麒麟座 V616（V616 Monocerotis）还要近三倍，而且它是一颗休眠的黑洞，也就是说，它不会从伴星中吸取物质，形成吸积盘。以前从未发现过类似这样的星体。“因为轨道的宽度一直保持不变，所以我们可以由此研究黑洞自身的演化。”凯蒂・布雷维克（Katie Breivik）解释道，她是卡内基梅隆大学的一位研究恒星和黑洞演化的天文学家。凯蒂表示：“这个休眠的黑洞对于研究黑洞形成是一个了不起的宝藏。”
其中一个未知因素是该双星系统最初是如何形成的。布雷维克表示：“由于双星之间的相互作用，轨道会随着时间变窄。目前，我们认为不可能产生孤立存在的黑洞。”换句话说，我们不理解盖亚 BH1 系统（包括黑洞和类似太阳的恒星）是如何形成的。这是因为，先前已知的双星系统中的黑洞，当它们还是恒星的时候，有可能在演化过程中与同伴共享物质。此外，毫无迹象表明，这颗类似太阳的伴星曾与其他恒星或黑洞之间产生近距离的相互作用。“这是个谜团。”布雷维克如是说。
研究人员讨论了几种可能：例如，假设该系统最初是一个三星系统，其中一颗伴星被抛射出去，或者被黑洞吞噬了。但要证实这种可能性非常困难。另一种可能是，类似太阳的恒星和最终成为盖亚 BH1 的恒星都是在同一个拥挤的星团中诞生的，并被推入了同一个轨道。过了数百万年，现在很难证明该情景是否曾经发生过。
这个发现也引发了其他问题：盖亚 BH1 真的是一个休眠的黑洞吗？它是唯一的休眠黑洞吗？这就是我想研究的课题。
正如卡里姆的科学声誉是靠发现黑洞得来的一样，我的科学声誉是靠探测黑洞发出的射电辐射赢得的。这种辐射通常是在黑洞撕裂恒星，并吞噬恒星时发出的。2022 年末，当盖亚 BH1 的消息传出时，我正待在哈佛大学的办公室里，就在卡里姆的隔壁，所以我赶紧跑过去问：他或他的同事是否考虑过用新墨西哥州的甚大阵（VLA）专门观测这个射电辐射源？毕竟，那颗类似太阳的恒星会散发与太阳相似的太阳风粒子。在这样近的距离上，仅用几个小时的甚大阵时间可能就足以探测到这些粒子落入黑洞时的辐射，或是来确定，这个黑洞的吸积速率一定非常低。
卡里姆同意了，并安排好了甚大阵观测时间，以便获得更好的观测结果。不幸的是，在盖亚 BH1 的位置上并没有检测到任何射电波。但也不全是坏消息。几天后，观测结果令人遗憾。卡里姆表示：“在盖亚卫星传回的数据中，我还发现了另一个可能存在的黑洞，如果查明该黑洞确实存在的话，那么，它将是离地球第二近的黑洞。而且，探测这个黑洞的射电辐射，可能更为合适。不过，该黑洞位于南半球，有兴趣观测一下吗？”
我想任何一位天文学家都不会拒绝这样的机会。卡里姆详细地向我介绍了情况：盖亚 BH2 距离地球约 3800 光年，比盖亚 BH1 更远。盖亚 BH2 与其伴星相距 5 个天文单位（约等于太阳到木星的距离），这意味着需要 3.5 年才能绕轨道运行一圈。然而，幸运的是，这对星体将在 2023 年 2 月离彼此最近（抵达近星点）。更重要的是，该双星系统中的恒星是一颗红巨星。太阳迟早也会变成一颗红巨星的，当太阳核心的氢燃烧殆尽时，太阳会膨胀、冷却变红，并产生更强的星风。所以，虽然盖亚 BH2 比盖亚 BH1 离地球更远，但它所散射的更强的粒子流意味着我们更有可能探测到黑洞吸积辐射。如果我们仍然无法探测到任何辐射，那就意味着我们发现了新一类黑洞，一类无法用当前技术直接观测到的黑洞。
我们加急撰写了观测申请，获批南非 MeerKAT 射电望远镜的使用权。观测计划就安排在了近星点时刻。在一个瑞雪纷飞的冬季，我在周末醒来，毫无准备地收到一封邮件，告诉我观测成功了。现在，真正的乐趣才刚刚开始！
我选择当一名天文学家的理由有很多，但每当我得到新的观测数据时，只有一个理由占据了我的头脑，就为了那个瞬间，那个熬过焦灼的等待，终于收到从世界的另一端传输过来的数据时的瞬间。顷刻间，我成为了世界上唯一一个知道宇宙最新讯息的人。我该怎么描述这般充斥灵魂的感觉？尤其是当我们探究能否能探测到新型的黑洞时，这种感觉尤为强烈。我可以告诉你，这种感觉让人上瘾！
有时候，我的屏幕上会冒出一片空白的像素点，我也不意外，因为探测工作哪有这么顺利？虽然能探测辐射到总归比探测不到辐射更令人兴奋，但是，这一次，我很惊讶的是，我们竟然一点儿辐射也探测不到。根据我们对黑洞和恒星环境的理解，本该能探测到射电辐射的。但是，实际上，我们确实没探测到任何辐射。这意味着，那些星风粒子一直离盖亚 BH2 的事件视界靠得不够近，所以不能产生吸积现象，也就无法产生射电波。这就可能意味着，某种物质在阻止两星体靠近。也许是事件视界附近有一股强大的风，把星体吹远了？我开始兴奋地想象所有可能导致我们探测不到辐射的原因。
我想到了一个从未直接探测到的、仅存于猜想之中的黑洞家族，即孤立黑洞，或离群黑洞。这类黑洞没有伴星，估计有 1 亿个这样的黑洞在银河系中默默漫游。我们是否能通过它们与游离气体和尘埃之间偶尔的相互作用来探测到它们呢？盖亚 BH2 的探测结果显示，根本没戏。深空并非绝对真空，但它比盖亚黑洞附近的空间要空旷得多。盖亚 BH1 和 BH2 均探测不到辐射，由此可推：仅凭现在的技术，人类无法探测到吸积现象产生的电磁辐射，从而探测不到孤立的黑洞。我们仍需要相当长的时间来确认是否存在孤立的黑洞。这个想法从科幻故事中走出来，令人神往又恐惧，而我收集到的射电数据将想法变成了现实。
这个新的黑洞家族可能是我们迄今为止能直接探测到的最黑的黑洞，观测不到 X 射线或引力波。但令人兴奋的是，我们对这些黑洞的研究才刚刚开始。盖亚卫星的任务远未结束。欧洲空间局（ESA）计划在 2030 年之前会通过测量数百万个星体来收集更加精确的数据。2025 年，等欧洲空间局到时候发布新一轮数据时，我们预计，会在星表中发现数十个这类新的黑洞家族的成员，待我们去探寻。我们将准备就绪，迎接这一天的到来。
关于黑洞有一个常见的误解，人们误以为黑洞类似于宇宙中的真空吸尘器，吸入并吞噬靠近的一切物质。然而，事实并非如此。虽然黑洞体积极小、质量巨大，但它的引力和其质量对应，不比太阳、地球或其他有质量的星体的引力更大。
比如，想象一下，太阳突然坍缩成一个黑洞。新形成的“黑洞太阳”质量不变，只是半径变得只有大约一英里（约 1.6 公里）。令人惊奇的是，地球和其他行星仍然会按照之前的轨道继续运行，一切照旧。只有当星体离黑洞太近时，才会被撕裂，就像现在太阳把靠得太近的彗星撕裂一样。但只要和黑洞保持距离，就没有被吸进去的危险了。
作者：Yvette Cendes
翻译：边颖
审校：侯志鹏
原文链接：How do you find a black hole? An astronomer explains the thrilling hunt
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Yvette Cendes
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