搜狐科技《思想大爆炸——對(duì)話科學(xué)家》欄目第118期，對(duì)話中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員高長(zhǎng)軍。

嘉賓簡(jiǎn)介：

高長(zhǎng)軍，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)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(xué)方面的研究。曾獲得上海市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。近年連續(xù)入選“愛斯維爾中國(guó)高被引學(xué)者”。

• “獨(dú)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(gè)純粹的、干干凈凈的黑洞。
  

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

• 通過微引力微透鏡探測(cè)到孤立黑洞，技術(shù)要求非常高，能探測(cè)到是非常幸運(yùn)的。
  

• 或許在不遠(yuǎn)的將來，aLIGO探測(cè)器也很有可能探測(cè)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(gè)比太陽(yáng)重7.15倍的天體，正在以每秒51公里的速度在銀河系中獨(dú)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(dú)行黑洞”。

近期，美國(guó)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的科學(xué)家們利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過精密觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析，終于在《天體物理學(xué)報(bào)》(ApJ)上發(fā)表論文，首次以直接觀測(cè)證據(jù)證實(shí)了這類神秘天體的存在。

“獨(dú)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(cè)到？帶著這些問題，搜狐科技對(duì)話了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高長(zhǎng)軍研究員。

“獨(dú)行黑洞”是由大質(zhì)量恒星坍縮形成的

能探測(cè)到很幸運(yùn)

高長(zhǎng)軍稱“獨(dú)行黑洞”是相對(duì)于“雙黑洞”而言的，想要了解“獨(dú)行黑洞”，首先要弄明白“雙黑洞”的概念。

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

與此同時(shí)，幾乎每個(gè)星系中心都有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，兩個(gè)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(dá)到了183.5億倍太陽(yáng)質(zhì)量，而另外一個(gè)黑洞的質(zhì)量達(dá)到了1.5億倍的太陽(yáng)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(jí)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(gè)天體是恒星級(jí)的黑洞，而另外一個(gè)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(yùn)行，我們看到了伴星的周期性運(yùn)動(dòng)。到目前為止，我們?cè)阢y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(dú)行黑洞。”高長(zhǎng)軍如是說。

“獨(dú)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(gè)純粹的、干干凈凈的黑洞。

“觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在至少2000個(gè)天文單位（一個(gè)天文單位是地球到太陽(yáng)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(dú)行俠’。”高長(zhǎng)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(dú)自流浪的“獨(dú)行黑洞”究竟是怎么形成的呢？

對(duì)此，高長(zhǎng)軍表示：“因?yàn)檫@是一顆恒星質(zhì)量的黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)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(dú)行黑洞”與銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞（數(shù)億個(gè)太陽(yáng)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(jìn)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。”高長(zhǎng)軍如是說。

不過，為什么此前我們沒有探測(cè)到它呢？

“那是因?yàn)楹诙词遣话l(fā)光的，是完全的黑體。”高長(zhǎng)軍答道。

不考慮量子效應(yīng)，黑洞的溫度是絕對(duì)零度，可以說黑洞是非常吝嗇的，吝嗇的連一個(gè)光子都休想從它身上拿走——一毛不拔。不僅如此，它強(qiáng)大的引力還會(huì)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(duì)伴星的吸引、對(duì)遙遠(yuǎn)星光的偏折、對(duì)遙遠(yuǎn)引力波的偏折或探測(cè)它周圍發(fā)光的吸積盤，才能推測(cè)它的存在。

“這次通過微引力微透鏡探測(cè)到孤立黑洞，技術(shù)要求非常高，它要求望遠(yuǎn)鏡、黑洞和恒星幾乎完美地處在一條直線上，所以能探測(cè)到也是非常幸運(yùn)的。”高長(zhǎng)軍如是說。

這是一項(xiàng)非常重要的成果

有望更近距離地看到黑洞的真面目

“獨(dú)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(dāng)然，嚴(yán)格地講，黑洞是使遙遠(yuǎn)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(zhǎng)軍形象地解釋道。

在高長(zhǎng)軍看來，這一發(fā)現(xiàn)具有非常重要的科學(xué)意義。

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

隨著進(jìn)一步的觀測(cè)，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(yàn)廣義相對(duì)論和其它引力理論，檢驗(yàn)黑洞是否帶有標(biāo)量毛、量子毛，檢驗(yàn)宇宙監(jiān)督猜想等。

“獨(dú)行黑洞的引力透鏡探測(cè)與事件視界望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)不同，事件視界望遠(yuǎn)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(dú)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(zhǎng)軍如是說。

其實(shí)，早在2011年，國(guó)際上兩個(gè)獨(dú)立的巡天項(xiàng)目——光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)（OGLE）和天體物理微引力透鏡觀測(cè)（MOA），就同時(shí)探測(cè)到一個(gè)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(gè)大質(zhì)量的隱形天體從它前方經(jīng)過。至于這個(gè)隱形天體是什么？當(dāng)時(shí)還沒有結(jié)論。接著，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡出場(chǎng)了。在六年的時(shí)間里，哈勃進(jìn)行了八次觀測(cè)，捕捉到了背景恒星光線和位置的細(xì)微變化。

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

而在2022年，另一支研究團(tuán)隊(duì)分析了更多的哈勃數(shù)據(jù)，提出了不同的解釋。他們認(rèn)為，該隱形天體的質(zhì)量較低，介于1.6到4.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，這個(gè)質(zhì)量范圍比較符合中子星的質(zhì)量范圍。

“一方認(rèn)為是黑洞，一方認(rèn)為是中子星。為此，兩派爭(zhēng)得面紅耳赤，不可開交。”高長(zhǎng)軍講的津津有味。

于是，為了解決爭(zhēng)議，原研究團(tuán)隊(duì)重返工作。他們擴(kuò)展了分析，新增了三次哈勃觀測(cè)，時(shí)間跨度為11年，并綜合分析了波蘭光學(xué)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(rèn)真地遴選出被透鏡后的源恒星的光，因?yàn)檫@些光幾乎被鄰近恒星的光給淹沒了，這簡(jiǎn)直就是“大海撈針”，他們需要在每次觀測(cè)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(gè)太陽(yáng)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(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，因此，這也坐實(shí)了它是一個(gè)黑洞。

羅曼頂“100個(gè)哈勃”

未來有望發(fā)現(xiàn)更多獨(dú)行黑洞

該團(tuán)隊(duì)稱，下一步他們將計(jì)劃借助于2027年發(fā)射的南希·格雷斯·羅曼太空望遠(yuǎn)鏡找到更多這樣的例子。那么羅曼太空望遠(yuǎn)鏡相比于哈勃，又有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)呢？

對(duì)此，高長(zhǎng)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(chǎng)照相機(jī)視野的200倍，是哈勃高級(jí)巡天照相機(jī)視野的100倍，因此羅曼以一擋百，老師們說‘它頂100個(gè)哈勃’。”

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

此外，高長(zhǎng)軍也向搜狐科技介紹了目前我國(guó)在這方面的研究進(jìn)展。

2024年，南京大學(xué)天文學(xué)院的何建華教授及其研究團(tuán)隊(duì)就提出了一種利用升級(jí)的激光干涉引力波探測(cè)器-aLIGO的觀測(cè)新方法，他們通過研究引力波的引力透鏡效應(yīng)來探測(cè)孤立黑洞，這項(xiàng)成果也被發(fā)表在2024年的《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》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?yàn)闊o論是電磁波還是引力波，在它們掠過黑洞附近時(shí)，都會(huì)受到黑洞強(qiáng)大的引力而發(fā)生彎曲，從而偏離直線傳播。”高長(zhǎng)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?cè)趪?guó)際上首次成功地展示了引力波掠過黑洞的詳細(xì)過程。通過數(shù)值模擬，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)遙遠(yuǎn)的引力波經(jīng)過孤立黑洞時(shí)，黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致引力波產(chǎn)生后散射效應(yīng)，這種效應(yīng)會(huì)顯著增強(qiáng)波形的振幅。

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

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