科學家在“眼跟前”發現離地球最近的黑洞

科學家在“眼跟前”發現離地球最近的黑洞
這張藝術幻想圖描繪了HR 6819恒星系統里天體的運行軌道。組成該系統的有一顆內側恒星(軌道呈藍色)、一個最近發現的黑洞(軌道呈紅色),以及一個軌道較長的外側恒星(軌道也呈藍色)。
圖源:ESO/L. CALÇADA

 
撰文:MICHAEL GRESHKO

  在南半球的冬季,頭頂的望遠鏡座里閃爍著一顆藍色的光點。夜空中的這一個小點,看上去像是一顆明亮的恒星,但其實是兩顆軌道相近的恒星。與之相伴的,是已知距離地球最近的黑洞。

  新發現的這顆黑洞位于恒星系HR 6819,距離我們太陽系約1011光年。《天文與天體物理學》期刊昨日發表的論文稱,這個不可見的天體,與兩顆可見的恒星鎖定在同一軌道。據估計,該黑洞的質量約為太陽的4倍,比下一個黑洞近約2500光年。

  “似乎它就躲在眼跟前。”美國加州大學伯克利分校的博士生Kareem El-Badry說道。他專注于雙恒星系統研究,但并未參與該研究。他說:“這是個足夠明亮的恒星系統,人們從上世紀80年代就開始研究它了,但似乎它藏了一些驚喜。”

科學家在“眼跟前”發現離地球最近的黑洞
在這張Digitized Sky Survey 2項目的廣角夜空圖像中央,可以看到恒星系HR 6819。這兩顆恒星相距甚近,似乎合而為一。這個“三體”系統里隱藏著迄今發現的距離地球最近的黑洞。
圖源:ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

  以人類的尺度來看,1000光年是一段漫長的距離。如果把地球與太陽的距離縮短到頭發絲的寬度,那么,恒星系HR 6819就在大約6400米外。不過,在直徑100000光年的銀河系視角下,恒星系HR 6819就相當近,而且,它的存在也表明銀河系里散布著諸多黑洞。

  該研究論文的第一作者、歐洲南方天文臺的天文學家Thomas Rivinius說:“如果你發現了一個非常近的黑洞,你又假設自己并不特別,就表明它們一定到處都有。”

與恒星一同打旋的黑洞

  長期以來,研究者都估計銀河系里存在著幾億個黑洞。但是,找到這些黑暗的物體卻極端困難。科學家發現銀河系里有幾十顆黑洞在“吞食”附近的氣團。當物質繞著黑洞邊緣打旋時,會釋放出X射線。但是,銀河系里的大多數黑洞是看不見的,因此,發現它們的唯一辦法就是觀測其周圍天體的引力效應。

  研究恒星系HR 6819的天文學家們起初根本就不是為了尋找黑洞。相反,他們想深入了解繞彼此運轉的這一對奇特恒星。

  外側的這顆恒星,名為Be恒星,質量比我們的太陽大幾倍,溫度更高,顏色更藍。這顆恒星赤道附近的自轉速度超過每秒48萬米,比我們太陽赤道的速度快200多倍。Rivinius說:“它們自轉的速度非常快,以至于物質差點兒就飛了出去。”

  說回2004年,科學家利用智利拉西拉天文臺2.2米口徑的MPG/ESO望遠鏡,對恒星系HR 6819進行了一場為期4個月的觀測活動,發現一些跡象表明該恒星系并非一個標準的雙星系統。“正常的”內側恒星似乎在以40.3天的周期繞著另一個天體公轉,而較大的Be恒星則公轉得更遠,同時繞著內側的恒星與那個神秘的第三者公轉。

  四年后,歐洲南方天文臺的Stan Štefl率隊重新審視這次研究結果,這其中就暗含著黑洞潛伏在恒星系HR 6819的線索。然而,Stan Štefl在2014年不幸因車禍遇難,這項工作陷入停滯。

  2019年11月,曾與Stan Štefl長期共事,并且專于研究Be恒星的專家Rivinius找到了重新觀測HR 6819的新理由。另一個團隊發表的一項研究稱在恒星系LB-1里發現了一個質量70倍于太陽的黑洞,這一發現令人大跌眼鏡。基于物理學家對恒星質量級別黑洞形成原理的認知,黑洞是由巨大恒星超新星爆發后形成的,而質量70倍于太陽的黑洞不可能形成。當足以產生那么大質量黑洞的恒星死亡時,它爆炸形成的碎屑不會跌落回自身。

  然而,Rivinius團隊留意到,恒星系LB-1的數據與恒星系HR 6819的數據極為相似。他們著手描述恒星系HR 6819中神秘第三個天體的特征。基于對內側恒星公轉軌道及亮度的計算,他們發現,這個不可見的天體的質量起碼是太陽的4.2倍,與銀河系內其他已知黑洞差不多。

看不見的目標

  該研究論文的合著者、歐洲南方天文臺的退休科學家Dietrich Baade認為,如果這個天體的質量是太陽的4倍多,它就不可能是一個普通的恒星,因為那么大的恒星“很容易探測到”。此外,它質量太大,也不可能是一顆中子星。(中子星是某些超新星爆發后留下的恒星內核。)

  只有一種天體能解釋這一計算結果,那就是:黑洞。

  但是,據El-Badry所說,所有對HR 6819這類包含多個相距不遠的天體的恒星系的研究,都要應付一些潛在的誤差來源。HR 6819外側的Be恒星及內側的恒星相距太近了,任何一個光學望遠鏡都無法將二者分辨開來。只有通過它們發射出的光譜,才能分辨出這兩顆恒星。

  在某些情況下,“剝離”外層氫元素的較老的恒星,與更年輕、質量更大的恒星外表很相似。如果HR 6819內側的那顆恒星外表如此,那么,研究人員就得重新計算這個假設黑洞的質量。

  在后續研究中,論文合著者Petr Hadrava帶領著研究者努力“解開”HR 6819釋放出的光線,并理清這兩顆恒星的準確光譜,并以此來確定它們的特性。El-Badry補充說,歐洲航天局的Gaia太空望遠鏡正在以前所未有的精度觀測銀河系,它可以提供關于HR 6819公轉軌道的更多細節。由于這一恒星系非常近,天文學家可以利用“干擾量度法”來精確地找到這兩顆恒星。(干擾量度法,是將多個望遠鏡組網觀測的技術,與望遠鏡網絡使超大質量黑洞輪廓成像的原理類似。)

  該論文的合著者、歐洲南方天文臺的博士后研究員Marianne Heida說:“通常,當有一顆恒星繞著一個黑洞時,我們其實看不到恒星繞黑洞運轉。這個離得這么近,我們應該能夠看到其運動,這就意味著,如果一切順利,應該更有把握計算出黑洞的質量。”

  研究人員一邊籌劃著下一步計劃,一邊也在贊頌著Stan Štefl,這是驅使他們發現這個黑洞的最初力量。Rivinius微笑著說:“Stan非常謹慎,他可能現在就在看著我,問我:你真的確定嗎?”

(譯者:mikegao)
 
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