肉眼可“見”的黑洞

　　黑洞無疑是宇宙中最神秘的天體(ti) ，他們(men) 隱匿在黑暗中，吞噬著一切進入的光線。無論體(ti) 型大小，所有黑洞都有著共同的特征，這就是事件視界。光線一旦越過事件視界，便無法逃逸。不過，黑洞還是會(hui) 露出馬腳，從(cong) 而被我們(men) 捕捉到蹤跡：當黑洞不遠處有一顆恒星時，恒星的物質被黑洞吸引，超高溫的塵埃與(yu) 氣體(ti) 形成圍繞黑洞快速旋轉的吸積盤，釋放出的X射線可以將黑洞“點亮”。那麽(me) ，如果黑洞周圍沒有這樣一顆足夠接近的伴星呢？雖然無法直接看見，但科學家可以通過黑洞對其他天體(ti) 的引力效應，間接探測到這些神秘天體(ti) 。

　　在一項發表於(yu) 《天文與(yu) 天體(ti) 物理學雜誌》的最新研究中，歐洲南方天文台（ESO）的天文學家就通過這個(ge) 方法，取得了一項引人矚目的發現——他們(men) 找到了迄今為(wei) 止距離地球最近的黑洞。如果結論成立，南半球的人們(men) 甚至可以不借助觀測設備，肉眼看見這顆黑洞所處的恒星係統。

　　恒星係統HR 6819位於(yu) 南天的望遠鏡星座，距離我們(men) 1000光年。這本是一個(ge) 毫不起眼、在南半球勉強可以用肉眼看見的普通雙星係統，但研究人員發現，其中一顆恒星的譜線呈現出周期性的搖擺。因此，在這個(ge) 係統中，一定存在著某個(ge) 尚未被發現的天體(ti) 。

　　進一步的分析指出，其中一顆恒星似乎以40天為(wei) 周期，圍繞著這個(ge) 看不見的天體(ti) 旋轉；另一顆恒星距離較遠，周期也更長。而這枚天體(ti) 的質量，相當於(yu) 太陽質量的4.2倍。如果這是一顆恒星，那麽(me) 考慮其質量及距離，地球上的觀測者一定能夠看見這顆恒星。因此研究提出，在HR 6819係統中心的，是一顆黑洞。

　　埋藏15年的數據

　　這項研究的主要作者，ESO的Thomas Rivinius說：“我們(men) 最初以為(wei) HR 6819是一個(ge) 雙星係統，但我們(men) 進一步審視才發現，其實它是由3個(ge) 天體(ti) 組成的係統。”

　　研究團隊使用ESO位於(yu) 智利拉息拉天文台的2.2米口徑望遠鏡，取得了這一發現。不過需要指出的是，這項觀測並不是最近才做出的。早在2004年，天文學家就在為(wei) 期數月的觀測中得到了這些數據。但這些數據並未引起天文學家的注意——正如上文提到的，他們(men) 認為(wei) 這隻是一個(ge) 普通的雙星係統。

　　直到去年，中國國家天文台的劉繼峰團隊利用郭守敬望遠鏡，發現了質量70倍於(yu) 太陽的最大質量恒星級黑洞。劉繼峰團隊正是注意到一顆恒星中反常的光譜線，才通過進一步的分析提出，這顆恒星正在圍繞一個(ge) “看不見的天體(ti) ”做近似圓周運動。

　　這項發表在《自然》雜誌上的研究引起了Rivinius的注意：“我想，等等，我抽屜裏有一些未經使用的數據，和LB-1（劉繼峰團隊發現的黑洞與(yu) 恒星組成的雙星係統）非常相像。”於(yu) 是，Rivinius團隊開始對這些塵封已久的數據進行重新分析。（注：就在上周，《自然》雜誌的兩(liang) 篇文章對LB-1係統中的恒星級黑洞展開了隔空對話。比利時魯汶大學的科學家認為(wei) ，劉繼峰團隊對於(yu) 氫譜線的解釋不正確，因此氫發射線的來源並非是黑洞；而劉繼峰團隊則在另一項研究中回應稱，氫發射線的問題比之前預期的更加複雜，結合最新數據，LB-1中的黑洞質量可能在23~65倍太陽質量之間。）

　　根據HR 6819係統的兩(liang) 顆恒星的年齡，Rivinius等人提出，該係統中的黑洞，是一次數千萬(wan) 年前的超新星爆發的遺跡。一般情況下，雙星係統中的黑洞能夠吸積伴星的物質，由此釋放的大量X射線構成發光盤，將黑洞包圍。有趣的是，在HR 6819係統中，兩(liang) 顆伴星與(yu) 黑洞運行軌道之間的距離較遠，足以避免被黑洞“進食”。正因為(wei) 如此，這個(ge) “雙星”係統在被觀測到之後，一度被天文學家遺忘多年。

　　天文學意義(yi) 與(yu) 爭(zheng) 議

　　如果HR 6819係統中的黑洞的確存在，這一發現除了更新黑洞與(yu) 地球的最近距離，還有著一係列天文學意義(yi) 。之前人們(men) 認為(wei) ，超新星將影響顯著周圍恒星的運行軌道，甚至將恒星“踢”至星際空間中。而這個(ge) 穩定的三體(ti) 係統則講述了一個(ge) 完全不同的故事。“從(cong) 這個(ge) 案例中我們(men) 得知，黑洞不用‘踢’走周圍的恒星即可形成。”Rivinius說。

　　這項研究的另一個(ge) 意義(yi) 在於(yu) ，它說明這樣“安靜”的黑洞比此前預想的更加常見，因此仍有大量類似的未知黑洞等待發掘。甚至，LB-1也可能屬於(yu) 這一類此前未知的黑洞係統。當然，由於(yu) 距離更遠、信號更弱，LB-1的觀測更加困難，但也並非不可能。Rivinius表示，他們(men) 已經計劃研究LB-1係統。

　　HR 6819還為(wei) 理解產(chan) 生引力波的黑洞係統的形成機製提供了誘人的線索。當兩(liang) 顆黑洞，或是黑洞與(yu) 中子星並合時，產(chan) 生的時空漣漪已經被天文學家探測到。但在並合之前，這樣的係統是如何誕生的，卻是個(ge) 未解之謎。

　　這項發現的科學意義(yi) 充滿了誘惑性，但也有一些科學家提出了不同意見。加州大學伯克利分校的Kareem El-Badry（未參與(yu) 該研究）認為(wei) ，這項研究得出的結論“顯然是值得懷疑的”。El-Badry注意到，這個(ge) 結論的得出，是基於(yu) 一係列假設的，尤其是係統中較為(wei) 接近黑洞的恒星，質量大約相當於(yu) 太陽的5倍。在他看來，這個(ge) 假設並非足夠可靠。一旦這顆恒星的質量不及Rivinius團隊的假設，那麽(me) 係統中央不可見天體(ti) 的質量也要隨之下降。因此，這顆天體(ti) 或許根本就不是黑洞，而是一顆質量不足以被觀測到的恒星。El-Badry說：“那裏一定存在某個(ge) 天體(ti) ，但要說它是黑洞，在我看來是不明智的。”

　　阿姆斯特丹大學的Edward van den Heuvel則從(cong) 另一個(ge) 角度提出了質疑，他認為(wei) 目前無法判斷被認作的黑洞的天體(ti) 是4.2倍太陽質量的單一天體(ti) ，還是兩(liang) 個(ge) 距離很近，平均質量為(wei) 2.1倍太陽質量的恒星。“這同樣可能是一個(ge) 四體(ti) 係統，宇宙中的不少明亮恒星，都位於(yu) 這樣的四體(ti) 係統中，”van den Heuvel說，“如果該天體(ti) 在某個(ge) 時刻釋放X射線，那麽(me) 我們(men) 可以確定它就是黑洞。但如果我們(men) 始終無法觀測到X射線信號，那麽(me) 問題就來了：它究竟是一個(ge) 黑洞，還是兩(liang) 顆相互繞行的恒星？”

　　對此，Rivinius認為(wei) ，如果這是一個(ge) 四體(ti) 係統，那麽(me) 從(cong) HR 6819釋放的光線中，我們(men) 可以找到能明確其身份的特征。而要明確其身份，則需要更多望遠鏡加入，進行更長時間的觀測。由於(yu) 正在全球蔓延的新冠疫情，大量天文台處於(yu) 關(guan) 閉狀態。Rivinius表示，在觀測重啟後，他們(men) 將立即進行嚐試。至於(yu) 目前，我們(men) 可以說，太陽係的“後院”中似乎潛伏著一個(ge) 未知的“黑暗”伴侶(lv) 。

 

　　撰文 | Jonathan O‘Callaghan

　　編譯 | 吳非

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