搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第118期，對話中國科學院國家天文臺研究員高長軍。

嘉賓簡介：

高長軍，中國科學院國家天文臺研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事引力理論、黑洞物理和宇宙學方面的研究。曾獲得上海市自然科學二等獎。近年連續(xù)入選“愛斯維爾中國高被引學者”。

劃重點：

1.“獨行黑洞”既沒有伴黑洞、也沒有伴恒星、更沒有伴吸積盤，它是一個純粹的、干干凈凈的黑洞。

2.這是一顆恒星質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的7.15倍，應(yīng)該是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的。

3.通過微引力微透鏡探測到孤立黑洞，技術(shù)要求非常高，能探測到是非常幸運的。

4.或許在不遠的將來，aLIGO探測器也很有可能探測到引力波經(jīng)過孤立黑洞的事件。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊錦

想象一下，一個比太陽重7.15倍的天體，正在以每秒51公里的速度在銀河系中獨自“流浪”，它不發(fā)光，看不見，也摸不著，像“幽靈”一樣在宇宙中穿梭，這就是距離地球約4958光年的“流浪黑洞”或“獨行黑洞”。

近期，美國太空望遠鏡科學研究所的科學家們利用哈勃太空望遠鏡，經(jīng)過精密觀測與數(shù)據(jù)分析，終于在《天體物理學報》(ApJ)上發(fā)表論文，首次以直接觀測證據(jù)證實了這類神秘天體的存在。

“獨行黑洞”是什么？又是如何形成的？這一發(fā)現(xiàn)有什么意義？為什么此前沒有被探測到？帶著這些問題，搜狐科技對話了中國科學院國家天文臺高長軍研究員。

“獨行黑洞”是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的，能探測到很幸運

高長軍稱“獨行黑洞”是相對于“雙黑洞”而言的，想要了解“獨行黑洞”，首先要弄明白“雙黑洞”的概念。

“雙黑洞”就是指兩個相互繞轉(zhuǎn)的黑洞，它們組成一對“舞者”，它們可能是恒星級黑洞，也可能是超大質(zhì)量黑洞。利用引力波的探測手段，我們到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了將近200例恒星級雙黑洞系統(tǒng)。

與此同時，幾乎每個星系中心都有一個超大質(zhì)量黑洞，兩個星系合并，最后就可以形成超大質(zhì)量雙黑洞，而現(xiàn)在我們也是發(fā)現(xiàn)了一些星系正在合并或者已經(jīng)合并后形成的超大質(zhì)量雙黑洞，比如距離我們40億光年的OJ287系統(tǒng)，主黑洞的質(zhì)量達到了183.5億倍太陽質(zhì)量，而另外一個黑洞的質(zhì)量達到了1.5億倍的太陽質(zhì)量。

“另外，我們知道，銀河系之中還有上億顆左右的恒星量級的黑洞，除了剛剛講過的雙黑洞系統(tǒng)之外，還有一些黑洞-恒星系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，一個天體是恒星級的黑洞，而另外一個天體是正常的恒星。”

“或通過吸積，產(chǎn)生明亮的爆發(fā)現(xiàn)象；或通過軌道運行，我們看到了伴星的周期性運動。到目前為止，我們在銀河系中發(fā)現(xiàn)了不足100例此類現(xiàn)象。除此之外，銀河系中還有一類黑洞，那就是獨行黑洞?！备唛L軍如是說。

“獨行黑洞”則意味著這顆黑洞既沒有伴黑洞、也沒有伴恒星、更沒有伴吸積盤，它是一個純粹的、干干凈凈的黑洞。

“觀測發(fā)現(xiàn)，在至少2000個天文單位（一個天文單位是地球到太陽的距離）的范圍內(nèi)，我們沒有找到其它天體，因此，這顆黑洞是一只老虎，是真正的‘獨行俠’?！备唛L軍形象地比喻道。

聽了這些解釋以后，我們不免發(fā)問，這顆孤立的、獨自流浪的“獨行黑洞”究竟是怎么形成的呢？

對此，高長軍表示：“因為這是一顆恒星質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的7.15倍，所以它應(yīng)該是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的。”

這顆“獨行黑洞”與銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞（數(shù)億個太陽質(zhì)量的黑洞）有著顯著的不同，它距離地球4958光年，位于銀河系的旋臂之中，行進速度是每秒51公里。

“這表明它很可能是由于一次超新星爆炸，獲得了一次巨大的沖擊力量，從而被逐出了家園?！备唛L軍如是說。

不過，為什么此前我們沒有探測到它呢？

“那是因為黑洞是不發(fā)光的，是完全的黑體?！备唛L軍答道。

不考慮量子效應(yīng)，黑洞的溫度是絕對零度，可以說黑洞是非常吝嗇的，吝嗇的連一個光子都休想從它身上拿走——一毛不拔。不僅如此，它強大的引力還會把周圍的星光吸引過來，然后據(jù)為己有。

因此，我們是斷然看不到黑洞的，只有借助于它對伴星的吸引、對遙遠星光的偏折、對遙遠引力波的偏折或探測它周圍發(fā)光的吸積盤，才能推測它的存在。

“這次通過微引力微透鏡探測到孤立黑洞，技術(shù)要求非常高，它要求望遠鏡、黑洞和恒星幾乎完美地處在一條直線上，所以能探測到也是非常幸運的?！备唛L軍如是說。

這是一項非常重要的成果，有望更近距離地看到黑洞的真面目

“獨行黑洞的發(fā)現(xiàn)借助于微引力透鏡的方法，就像夜行人在漆黑的大街上疾走，突然經(jīng)過一家亮燈的窗前，他擋住了燈光，所以我們瞬間發(fā)現(xiàn)了它。當然，嚴格地講，黑洞是使遙遠的恒星光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)、聚焦，所以物理概念上與“擋住了燈光”還是有很大的不同”高長軍形象地解釋道。

在高長軍看來，這一發(fā)現(xiàn)具有非常重要的科學意義。

它是人類第一次探測到的單個黑洞，是天文學領(lǐng)域的重大成果，也是人類智慧和技術(shù)的勝利。

隨著進一步的觀測，有利于我們更深入、更清晰地看清黑洞的真面目，以此來檢驗廣義相對論和其它引力理論，檢驗黑洞是否帶有標量毛、量子毛，檢驗宇宙監(jiān)督猜想等。

“獨行黑洞的引力透鏡探測與事件視界望遠鏡的探測不同，事件視界望遠鏡獲得的照片是拍攝超大質(zhì)量黑洞吸積盤中的熱氣體發(fā)出的電磁波得到的，它并不是黑洞的真面目，只是黑洞的輪廓，而獨行黑洞的發(fā)現(xiàn)，有望讓我們更近距離地看到黑洞的真面目。”高長軍如是說。

其實，早在2011年，國際上兩個獨立的巡天項目——光學引力透鏡實驗（OGLE）和天體物理微引力透鏡觀測（MOA），就同時探測到一個異常事件。

一顆背景恒星的光線被扭曲并放大了，這就意味著有一個大質(zhì)量的隱形天體從它前方經(jīng)過。至于這個隱形天體是什么？當時還沒有結(jié)論。接著，哈勃空間望遠鏡出場了。在六年的時間里，哈勃進行了八次觀測，捕捉到了背景恒星光線和位置的細微變化。

另外，天文學家還結(jié)合了來自16架地面望遠鏡的光度測量數(shù)據(jù)，以及在微引力透鏡事件高峰期進行的觀測。這些測量共同給出一個結(jié)論：這是一個質(zhì)量約為太陽的7倍，沒有任何電磁輻射的天體。因此，人們猜測它很可能就是黑洞。

而在2022年，另一支研究團隊分析了更多的哈勃數(shù)據(jù)，提出了不同的解釋。他們認為，該隱形天體的質(zhì)量較低，介于1.6到4.4個太陽質(zhì)量之間，這個質(zhì)量范圍比較符合中子星的質(zhì)量范圍。

“一方認為是黑洞，一方認為是中子星。為此，兩派爭得面紅耳赤，不可開交?！备唛L軍講的津津有味。

于是，為了解決爭議，原研究團隊重返工作。他們擴展了分析，新增了三次哈勃觀測，時間跨度為11年，并綜合分析了波蘭光學引力透鏡的數(shù)據(jù)。

而處理這些數(shù)據(jù)的巨大的挑戰(zhàn)之一，就是要認真地遴選出被透鏡后的源恒星的光，因為這些光幾乎被鄰近恒星的光給淹沒了，這簡直就是“大海撈針”，他們需要在每次觀測中想法設(shè)法地扣除鄰近恒星的星光。

最終，在2025年，隱形物體的質(zhì)量被精確到7.15個太陽質(zhì)量，而理論上典型的中子星的質(zhì)量范圍在1.35-2.1個太陽質(zhì)量之間，因此，這也坐實了它是一個黑洞。

羅曼頂“100個哈勃”，未來有望發(fā)現(xiàn)更多獨行黑洞

該團隊稱，下一步他們將計劃借助于2027年發(fā)射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡找到更多這樣的例子。那么羅曼太空望遠鏡相比于哈勃，又有哪些獨特的優(yōu)勢呢？

對此，高長軍表示：“雖然羅曼的主鏡面直徑與哈勃相同，但它的視野卻是哈勃第三代寬場照相機視野的200倍，是哈勃高級巡天照相機視野的100倍，因此羅曼以一擋百，老師們說‘它頂100個哈勃’?！?/p>

也就是說，哈勃上的相機要拍攝一兩百次才可以拍完的天區(qū)，羅曼上的相機一次就可以拍完，“我覺得羅曼有望發(fā)現(xiàn)更多的獨行黑洞?！备唛L軍如是說。

此外，高長軍也向搜狐科技介紹了目前我國在這方面的研究進展。

2024年，南京大學天文學院的何建華教授及其研究團隊就提出了一種利用升級的激光干涉引力波探測器-aLIGO的觀測新方法，他們通過研究引力波的引力透鏡效應(yīng)來探測孤立黑洞，這項成果也被發(fā)表在2024年的《物理學評論快報》上。

“直觀上理解，引力波引力透鏡與電磁波引力透鏡在道理上是相似的，因為無論是電磁波還是引力波，在它們掠過黑洞附近時，都會受到黑洞強大的引力而發(fā)生彎曲，從而偏離直線傳播?！备唛L軍解釋道。

但是，由于愛因斯坦方程的高度復(fù)雜性，如何精確地描述引力波掠過黑洞，這是一件非常困難的事情。

于是借助數(shù)值模擬的方法，他們在國際上首次成功地展示了引力波掠過黑洞的詳細過程。通過數(shù)值模擬，他們發(fā)現(xiàn)當遙遠的引力波經(jīng)過孤立黑洞時，黑洞的強引力場會導(dǎo)致引力波產(chǎn)生后散射效應(yīng)，這種效應(yīng)會顯著增強波形的振幅。

在高長軍看來，或許在不遠的將來，aLIGO探測器也很有可能在未來探測到引力波經(jīng)過孤立黑洞的事件。