黑洞极大的质量会产生强大的引力场，以至于光都无法逃脱。因此，我们无法通过探测可见光、X射线或任何其他形式的电磁波直接发现黑洞，只能通过黑洞对附近其他物质的影响来推断黑洞的存在。比如双星系统中的黑洞与伴星相互作用可以产生光或引力波，我们就可以据此得知黑洞的存在。可是，如果有些黑洞周围没有其他物质，我们又该怎么寻找它们呢？

现在正是寻找黑洞的兴盛时期。我们几乎在每个星系的中心都发现了质量相当于数十亿个太阳质量的超大质量黑洞（supermassive black holes），还为其中一个黑洞进行了成像。现在，研究人员经常探测到来自较小的黑洞合并产生的引力波。而在距离地球更近的地方，我们目睹了银河系中的超大质量黑洞和它小一些的同类在吞食气体云和恒星时所产生的壮观的宇宙“烟火”。

然而，有一个长期以来被预测的效应我们还从未观察到过：从大质量恒星坍缩的核心中诞生，被抛出，漫无目的地在宇宙中流浪的黑洞。现在，我们终于发现了它们的行踪。

在1月31日发表于arXiv预印本网站上的一篇论文中（尚未经过同行评议），研究者宣布他们首次明确发现了一个流浪黑洞，它在距离地球约5000光年的太空中游荡。这是科学家十多年来的努力寻找的成果。

论文的合著者之一、德国欧洲南方天文台的玛丽娜·雷库巴（Marina Rejkuba）说：“这非常令人兴奋，我们可以证明孤立的黑洞确实存在。”这一发现可能只是个开始，正在进行和即将开展的研究，预计会发现数十甚至数百个流浪黑洞。“这只是冰山一角。”哈佛-史密森天体物理中心的卡里姆·巴德里（Kareem El-Badry，没有参与这项研究）说。

引力透镜

1919年，英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）做了一个著名的实验。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论假设，大质量的物体会在时空中造成凹陷，使其附近的光线弯曲，这一过程被称为引力透镜。爱丁顿在日全食时证明了这个现象的存在。

发生日全食时，太阳的眩光被减到最小，我们才能看到在太空背景中与太阳邻近的恒星。利用天体测量学技术，爱丁顿仔细地记录了这些恒星和太阳不处于同一天区时，与和太阳处于同一天区时（日食发生期间）的坐标，发现它们的位置产生了微小的变化，这是因为它们发出的光被太阳的巨大的引力扭曲，在我们看来位置改变了。

在随后的几十年里，科学家们发现了天体测量学的新用途。大于太阳质量20倍的恒星在其生命末期会形成黑洞，因为在热核燃料耗尽后，它们沉重的核心会因自身重量而塌陷。这样形成的恒星质量黑洞（stellar-mass black hole）约为一个城市大小的球体，质量是太阳的几十倍。它们的诞生，通常伴随着由核心坍缩释放的巨大能量而产生的明亮的超新星。超新星爆发的力量非常强大，有时会将新生的黑洞踢出孕育它的“子宫”，使它们成为宇宙中的流浪者。再加上这些黑洞较小的尺寸和黑暗的性质，它们几乎不可能被看到。

然而爱丁顿的实验启发我们，可以通过引力透镜效应发现这些“流浪者”。当黑洞在我们的视野中掠过的背景中的恒星时，恒星会瞬间变亮。对于某个黑洞来说，这样的事件刚好被我们观察到的可能性很小，但是既然有预计数百万个恒星质量黑洞正在我们的星系中漂流，只要对天空进行足够广泛和深入的调查，部分黑洞就可能会被发现。

一颗突然变亮的恒星

一些项目在寻找这类微引力透镜事件，如波兰华沙大学的光学引力透镜实验（OGLE），以及新西兰和日本开展的天体物理学微透镜观测（MOA）。2011年6月，这两个项目发现了一个值得注意的现象：银河系中心的方向上，有一颗恒星突然变亮了。这有可能是一个流浪黑洞带来的微引力透镜事件吗？天文学家竞相寻找答案。

利用哈勃空间望远镜，新研究的第一作者凯拉什·萨胡（Kailash Sahu）和同事在这颗恒星变亮的几周内对它进行了放大观察，并在接下来的六年里对它进行了反复观测。他们证实，这颗恒星的光确实被放大了，表明存在一个看不见的、起到引力透镜作用的物体。

他们还有一个更重要的发现——这颗恒星在太空中的视位置发生了微小的变化。萨胡说：“这个变化比爱丁顿测量的效果小1000倍，接近哈勃望远镜的极限。”某种不可见的东西放大并扭曲了这颗恒星发出的光。最合理的可能性是什么？——一个质量约为太阳的7.1倍的恒星质量黑洞。

萨胡介绍说，除了黑洞，不存在其他任何可能性。证实这一点需要两个判据：其一是“透镜”上应当没有光线，这条标准可以排除更常见的物体，比如褐矮星；其二是考虑到黑洞的引力影响范围的很大，放大效应的持续时间应当很长，而2011年6月的这次效应持续约300天，也符合要求。“他们的分析很详尽。”巴德里评价。

通过计算光线偏转的程度，萨胡和同事们确定了这个黑洞的质量是太阳质量的7倍多一点。“这正好处于我们对恒星质量黑洞的质量预期值的中间。”亚利桑那大学的费亚尔·厄泽尔（Feryal Özel，没有参与这项研究）说。

研究团队还计算出它的移动速度是每秒45千米。与附近的恒星相比，这个移动速度是相对很快的，也正合人们的期望——一颗被垂死的大质量恒星“踢”出去的黑洞应当获得比较大的速度。萨胡说：“目前还不清楚这颗黑洞是什么时候开始流浪的，可能是在接近1亿年前。因为我们不知道它从哪里来，我们无法确定。”

其实，这并非第一个流浪黑洞引起微引力透镜现象的线索。在此之前，科学家还有其他几个候选。但这次事件的不同之处是，科学家不仅仅观测到了光线的放大，还成功测量到了透镜物体对恒星光线的引力偏转，从而确定透镜物体的质量和性质。

合著者之一、美国宇航局戈达德太空飞行中心的大卫·贝内特（David Bennett）说：“对以前探测到的可能存在的黑洞，我们没有使用过天体测量方法。这项技术对探测流浪的恒星质量黑洞是最佳的。这是我们第一次尝试，也是第一次发现这类孤立的黑洞。

蓄势待发

这个黑洞的质量佐证了天体物理学家构建的流浪黑洞的形成模型是正确的——流浪黑洞可以从巨大恒星的灰烬之中诞生。不过，流浪黑洞在双星系统中形成的可能性也存在。对于这个特定的黑洞来说，我们无法确切地知道它的起源故事。但可以肯定的是，找到更多流浪黑洞可以使研究人员检测并进一步完善这些模型。

“我们一直无法研究黑洞本身，所以这种能寻找黑洞并能确定它们质量的新方法非常令人兴奋。”厄泽尔说，“这些黑洞的形成方式不同吗？它们的质量分布不同吗?”

这些问题的答案可能很快就会揭晓。目前，欧洲航天局（ESA）的盖亚望远镜正在绘制银河系中数十亿颗恒星的地图。2025年，科学家将公布该项目观测到的引力透镜数据，预计可以发现银河系中的更多流浪黑洞。

新研究的合著者之一、华沙大学的卢卡斯·维日科夫斯基（Łukasz Wyrzykowski）也使用盖亚的数据寻找黑洞，他表示：“盖亚的数据质量将与哈勃相近，甚至优于哈勃。即将获得的引力透镜效应数据可能提供数十个候选的流浪黑洞。”

智利的薇拉·鲁宾天文台将从明年开始进行为期10年的巡天，美国航空航天局将于2027年发射的“南希·格雷斯·罗曼天文望远镜”也将寻找流浪黑洞。鲁宾和罗曼都有很宽的视野，可以捕捉到布满恒星的全景景象，其中一定潜伏着大量漂浮着的流浪黑洞。 “我们期望鲁宾和罗曼能发现许多恒星的位移。” 巴德里说。

新发现的流浪黑洞预示着寻找流浪黑洞的光明前景。流浪的恒星质量黑洞一直被理论预测，直到现在才得到观测证实。在我们的银河系中，它们可能常非普遍。研究它们的丰度、质量和其他属性，有助于完善恒星演化理论，或指出现有理论的不足。

编辑：王星

责任编辑：顾军

转载：环球科学

图片来源：NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

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