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黑洞扭曲了来自周围天体的光（图源：NASA GSFC、ESA/Gaia/DPAC）

  • 左卫东编译

流浪黑洞可能遍布银河系，但它们很难被发现。研究人员使用哈勃太空望远镜和地面天文台，在银河系中发现首个流浪黑洞（观测6年）。它距离地球约5200光年，质量约是太阳的7.1倍；它像其他恒星系统和星云一样围绕银河系中心运行，与附近其他恒星每秒10-30公里的横向速度相比，它的横向速度至少每秒45公里。

这项发现的预印本论文已于2022年1月31日发布在arXiv，Nature官网于2022年2月7日报道这一消息。哈佛史密森天体物理中心的卡里姆·埃尔-巴德里（Kareem El-Badry）说：“这一发现可能只是一个开始，我们正在进行的后续调查预计会发现数十甚至数百个这样的流浪黑洞。”

引力透镜效应

1916年，阿尔伯特·爱因斯坦正式发表广义相对论。在地球附近，引力最强大的天体是太阳，它的引力会使周围的时空稍微弯曲。为了证实时空弯曲理论，1919年，英国皇家科学院派出以著名天文学家爱丁顿为首的两支远征队，一支赶到西非普林西比，一支到亚马逊森林这两个日全食最佳观测地点，拍摄日全食时的天空。

当日全食发生时，太阳躲入月球的阴影中，天幕渐暗、星光显现，爱丁顿拍摄到了太阳周围的星空。在照片上，星光在太阳附近的确发生了1.7秒的偏移，这有力证明了引力场使光线偏转的说法，结果与广义相对论的预言基本吻合。 这也是广义相对论所预言的时空 弯曲的第一个实验例证 ， 太阳像一个 透镜，弯曲了遥远恒星发出的光线， 这就是引力透镜效应的最初概念。

当一个黑洞从恒星和地球之间穿过时，它的引力会使来自恒星的光线弯曲并聚焦，从而暂时放大了所观测到的恒星亮度（图源：nature）

20世纪30年代，爱因斯坦提出，大质量天体充当引力透镜，不仅可以弯曲光线，还可以扭曲位于引力质量之外的天体图像。如果某个天体位于一个巨大的星系后面，从地球上看，偏转的光可能通过不止一条路径到达地球。星系的引力作用就像一个透镜，将光沿着不同的路径聚焦，可能会使天体看起来被拉伸，或者好像光线来自多个天体，而不是单一的天体，这个天体的光甚至可能扩散成一个环。

引力透镜本质上相当于太空中的一块巨大的放大镜，弯曲放大了更遥远天体所发出的光线。第一个引力透镜效应于1979年发现，当时在天空中发现了两个相距非常近的类星体，它们的大小和光谱相似。这两个类星体实际上是同一个天体，只是它们的光在中间星系的引力影响下被分成了两条路径。

怎样观测流浪黑洞

黑洞无法直接被观测，但科学家意识到，可以通过观察黑洞的引力透镜效应间接找到它们。 典型的情况是，当黑洞在视野中掠过时，其背景恒星会突然变亮、恒星位置发生细微偏移。 对于 流浪黑洞来说，看到这样的事件可能性很小，考虑到预计数百万个流浪黑洞正在星系中漂移，在足够广泛和深入的调查时，它们被发现的可能性就会增大。

目前，全球多个项目正在寻找这些和其他所谓的微透镜事件，包括波兰华沙大学的光学引力透镜实验（OGLE）、新西兰研究人员开展的天体物理学微透镜观测 （MOA）调查等。2011年6月，这两项调查发现了值得注意的现象——在距离银河系中心约20000光年远处，一颗恒星突然变亮。

黑洞极大地扭曲了背景光（图源：iflscience.com）

美国巴尔摩太空望远镜科学研究所的凯拉什·萨胡（Kailash Sahu）是论文的主要作者，他和同事 利用哈勃太空望远镜，在这颗恒星变亮的几周内对它进行观测，并且在接下来的6年持续对其进行观测。 他们能够证实这颗恒星确实变亮了，这表明存在一个透镜天体。

这颗恒星在太空中的可视位置发生了极小变化，萨胡说，这个变化“比1919年爱丁顿测量到的小1000倍”，接近哈勃望远镜能力极限。某种致密天体放大并扭曲了这颗恒星发出的光。 研究人员估计，该天体质量约为太阳的7.1倍，且该天体不发光， 估计的质量高于中子星或白矮星可能存在的质量 。

寻找更多流浪黑洞

这并不是第一次观测到此类微透镜现象，不同的是，这次成功测量了流浪黑洞对恒星光的引力偏移，而不仅仅只限于观察到恒星突然变亮。 美国宇航局戈达德太空飞行中心的大卫·贝内特（David Bennett ）与萨胡等人共同撰写了论文，他说： “以前曾发现过此类黑洞，但仅仅限于推测，这是第一次尝试观察并实际测量它们，这项技术是用于观测流浪黑洞的最佳技术。 ”

盖亚望远镜的艺术家概念图（图源: ESA）

欧洲航天局的盖亚望远镜目前正在绘制银河系中数十亿颗恒星的位置，2025年，参与该项目的科学家将公布其观测到的透镜数据，预计将有更多的证据证明银河系中存在众多的流浪黑洞。 华沙大学的Łukasz Wyrzykowski（该论文合著者）说:“盖亚的数据将与哈勃的数据质量相似，甚至更好。 ” 他估计，即将到来的透镜效应数据将包含数十个额外的候选数据。

参考文献：

  1. https://www.nature.com/articles/d41586-022-00346-6

  2. https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-find-first-ever-rogue-black-hole-adrift-in-the-milky-way/

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