畢竟，黑洞具有如此強(qiáng)大的引力，光線無(wú)法逃脫，所以天文學(xué)家通常通過(guò)它們對(duì)其他天體的引力影響或它們吞噬的周?chē)镔|(zhì)產(chǎn)生的輻射來(lái)探測(cè)它們。如果沒(méi)有附近的天體或吸積物質(zhì)，整個(gè)銀河系可能有數(shù)以億計(jì)的黑洞，但天文學(xué)家基本上看不到它們。

如果像天文學(xué)家認(rèn)為的那樣，大型恒星的死亡會(huì)留下黑洞，那么應(yīng)該有數(shù)以億計(jì)的黑洞散布在銀河系中。問(wèn)題是，孤立的黑洞是看不見(jiàn)的。

現(xiàn)在，一個(gè)由加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了可能是一個(gè)自由漂浮的黑洞，他們觀察到一顆較遠(yuǎn)的恒星因其光線被該天體的強(qiáng)引力場(chǎng)扭曲而變亮--所謂的引力微透鏡。

由研究生Casey Lam和加州大學(xué)伯克利分校天文學(xué)副教授Jessica Lu領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)估計(jì)，這個(gè)看不見(jiàn)的緊湊天體的質(zhì)量是太陽(yáng)的1.6到4.4倍。因?yàn)樘煳膶W(xué)家認(rèn)為，死亡恒星的殘余物必須重于2.2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，才能坍縮成黑洞，所以加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提醒說(shuō)，這個(gè)天體可能是一顆中子星，而不是黑洞。中子星也是密集的、高度緊湊的天體，但它們的重力被內(nèi)部的中子壓力所平衡，從而防止進(jìn)一步坍縮成黑洞。

無(wú)論是黑洞還是中子星，這個(gè)天體都是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的黑暗恒星殘骸--恒星 “幽靈”--在銀河系中游蕩，沒(méi)有與另一顆恒星配對(duì)。

“這是第一個(gè)用引力微透鏡發(fā)現(xiàn)的自由漂浮的黑洞或中子星，”Lu說(shuō)。“通過(guò)微透鏡，我們能夠探測(cè)這些孤獨(dú)的、緊湊的天體。我認(rèn)為我們已經(jīng)為這些黑暗的天體打開(kāi)了一扇新的窗口，這些天體是無(wú)法用其他方式看到的。”

確定銀河系中有多少這些緊湊的天體，將有助于天文學(xué)家了解恒星的演變--特別是它們是如何死亡的--以及我們的銀河系，或許還能揭示出是否有任何看不見(jiàn)的黑洞是原始黑洞，一些宇宙學(xué)家認(rèn)為這些黑洞是在大爆炸期間大量產(chǎn)生的。

Lam、Lu和他們的國(guó)際團(tuán)隊(duì)的分析已經(jīng)被接受發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊》上。該分析包括另外四個(gè)微透鏡事件，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這些事件不是由黑洞引起的，盡管其中兩個(gè)可能是由白矮星或中子星引起的。研究小組還得出結(jié)論，銀河系中的黑洞數(shù)量可能是2億個(gè)--與大多數(shù)理論家預(yù)測(cè)的差不多。

相同的數(shù)據(jù)，不同的結(jié)論

值得注意的是，來(lái)自巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（STScI）的一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)分析了同一個(gè)微透鏡事件，并聲稱這個(gè)緊湊天體的質(zhì)量更接近于7.1個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，無(wú)可爭(zhēng)議地是一個(gè)黑洞。由Kailash Sahu領(lǐng)導(dǎo)的STSCI團(tuán)隊(duì)的一篇描述該分析的論文已被接受在《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表。

兩個(gè)小組都使用了相同的數(shù)據(jù)：對(duì)遠(yuǎn)方恒星在被超緊湊天體扭曲或 “透鏡”時(shí)亮度的光度測(cè)量，以及對(duì)遠(yuǎn)方恒星在天空中的位置由于透鏡天體的引力扭曲而產(chǎn)生的移動(dòng)的天體測(cè)量。測(cè)光數(shù)據(jù)來(lái)自兩個(gè)微透鏡調(diào)查：光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)（OGLE），它采用了華沙大學(xué)在智利的一臺(tái)1.3米的望遠(yuǎn)鏡，以及天體物理學(xué)中的微透鏡觀測(cè)（MOA）實(shí)驗(yàn)，它安裝在大阪大學(xué)在新西蘭的一臺(tái)1.8米的望遠(yuǎn)鏡上。天體測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)自NASA的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。STScI負(fù)責(zé)管理該望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)項(xiàng)目，并進(jìn)行其科學(xué)操作。

因?yàn)閮纱挝⒐庹{(diào)查都捕捉到了同一個(gè)天體，所以它有兩個(gè)名字：MOA-2011-BLG-191和OGLE-2011-BLG-0462，簡(jiǎn)稱為OB110462。

雖然像這樣的調(diào)查每年在銀河系發(fā)現(xiàn)大約2000顆因微透鏡而變亮的恒星，但天體測(cè)量數(shù)據(jù)的加入使得這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠確定這個(gè)緊湊天體的質(zhì)量以及它與地球的距離。由加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的小組估計(jì)，它位于2280至6260光年之外，在銀河系中心的方向，靠近環(huán)繞銀河系中心大質(zhì)量黑洞的大凸起。

STScI小組估計(jì)，它位于大約5153光年之外。

“大海撈針”

2020年，當(dāng)STSCI團(tuán)隊(duì)初步斷定哈勃觀測(cè)到的五個(gè)微透鏡事件--所有這些事件都持續(xù)了100多天，因此可能是黑洞--可能畢竟不是由緊湊型天體引起的之后，Lu和Lam首次對(duì)該天體產(chǎn)生了興趣。

自2008年以來(lái)一直在尋找自由漂浮的黑洞的Lu認(rèn)為，這些數(shù)據(jù)將幫助她更好地估計(jì)它們?cè)阢y河系中的豐度，粗略估計(jì)在1000萬(wàn)到10億之間。到目前為止，恒星大小的黑洞只作為雙星系統(tǒng)的一部分被發(fā)現(xiàn)。雙星中的黑洞可以從X射線中看到，當(dāng)恒星中的物質(zhì)落到黑洞上時(shí)產(chǎn)生，或者通過(guò)最近的引力波探測(cè)器看到，這些探測(cè)器對(duì)兩個(gè)或多個(gè)黑洞的合并很敏感。但是這些事件是罕見(jiàn)的。

“Casey 和我看到這些數(shù)據(jù)，我們非常感興趣。我們說(shuō)，‘哇，沒(méi)有黑洞。這是令人驚訝的，’盡管應(yīng)該有，”Lu說(shuō)。“于是，我們開(kāi)始研究這些數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)中真的沒(méi)有黑洞，那么這就不符合我們關(guān)于銀河系中應(yīng)該有多少黑洞的模型。我們對(duì)黑洞的理解必須有所改變--要么是它們的數(shù)量，要么是它們運(yùn)動(dòng)的速度，要么是它們的質(zhì)量。”

當(dāng)Lam分析這五個(gè)微透鏡事件的光度和天體測(cè)量學(xué)時(shí)，她驚訝地發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)OB110462具有緊湊天體的特征。透鏡物體看起來(lái)很暗，因此不是一顆恒星；恒星的變亮持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，將近300天；背景恒星位置的扭曲也是持久的。

Lam說(shuō)，透鏡事件的長(zhǎng)度是主要線索。在2020年，她表明搜索黑洞微透鏡的最佳方式是尋找非常長(zhǎng)的事件。她說(shuō)，只有1%的可探測(cè)到的微透鏡事件可能來(lái)自黑洞，所以尋找所有的事件就像“大海撈針”。但是，Lam計(jì)算出，大約40%的持續(xù)時(shí)間超過(guò)120天的微光事件有可能是黑洞。

Lam說(shuō)：“增亮事件持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間，暗示了彎曲背景恒星光線的前景透鏡的質(zhì)量有多大。長(zhǎng)事件更可能是由于黑洞造成的。不過(guò)，這并不是一種保證，因?yàn)樵隽潦录某掷m(xù)時(shí)間不僅取決于前景透鏡的質(zhì)量如何，而且還取決于前景透鏡和背景恒星相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度如何。然而，通過(guò)同時(shí)獲得背景星的表面位置的測(cè)量，我們可以確認(rèn)前景透鏡是否真的是一個(gè)黑洞。”

據(jù)Lu說(shuō)，OB110462對(duì)背景星的光的引力影響是驚人的長(zhǎng)。這顆恒星花了大約一年時(shí)間變亮到2011年的峰值，然后又花了大約一年時(shí)間變暗回到正常狀態(tài)。

更多的數(shù)據(jù)將區(qū)分出黑洞和中子星

為了確認(rèn)OB110462是由一個(gè)超級(jí)緊湊的天體引起的，Lu和Lam要求從哈勃獲得更多的天體測(cè)量數(shù)據(jù)，其中一些數(shù)據(jù)于去年10月到達(dá)。這些新數(shù)據(jù)顯示，在事件發(fā)生10年后，由于透鏡的引力場(chǎng)而導(dǎo)致的恒星位置變化仍然可以觀察到。對(duì)該微透鏡的進(jìn)一步哈勃觀測(cè)暫定于2022年秋季進(jìn)行。

對(duì)新數(shù)據(jù)的分析證實(shí)，OB110462可能是一個(gè)黑洞或中子星。

Lu和Lam懷疑，兩個(gè)小組的不同結(jié)論是由于天體測(cè)量和光度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)前景和背景天體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有不同的測(cè)量。兩個(gè)小組的天體測(cè)量分析也有不同。加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，目前還無(wú)法區(qū)分該天體是黑洞還是中子星，但他們希望在未來(lái)通過(guò)更多的哈勃數(shù)據(jù)和改進(jìn)的分析來(lái)解決這一差異。

“盡管我們很想說(shuō)它是一個(gè)明確的黑洞，但我們必須報(bào)告所有允許的解決方案。這既包括質(zhì)量較低的黑洞，甚至可能包括一顆中子星，”Lu說(shuō)。

“如果你不能相信光的曲線，亮度，那么這說(shuō)明了一些重要的問(wèn)題。如果你不相信位置與時(shí)間的關(guān)系，那就說(shuō)明了一些重要的事情，”Lam說(shuō)。“所以，如果其中一個(gè)是錯(cuò)誤的，我們必須了解原因。或者另一種可能性是，我們?cè)趦山M數(shù)據(jù)中測(cè)量的東西都是正確的，但我們的模型是不正確的。測(cè)光和天體測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生于同一個(gè)物理過(guò)程，這意味著亮度和位置必須相互一致。所以，那里缺少一些東西。”

兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還估算了超緊湊透鏡天體的速度。Lu/Lam團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)平靜的速度，不到30公里/秒。STScI團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)異常大的速度，即45公里/秒，它將此解釋為所謂的黑洞從產(chǎn)生它的超新星中得到了額外的刺激。Lu解釋說(shuō)，她的團(tuán)隊(duì)對(duì)低速度的估計(jì)有可能支持一個(gè)新的理論，即黑洞不是超新星的結(jié)果--這是今天的主流假設(shè)--而是來(lái)自失敗的超新星。