HR 6819系統(tǒng)的藝術(shù)概念圖（圖片來源：ESO and L。 Cal?ada）
撰文| Jonathan O‘Callaghan
編譯 | 吳非
肉眼可“見”的黑洞
黑洞無疑是宇宙中最神秘的天體，他們隱匿在黑暗中，吞噬著一切進(jìn)入的光線。無論體型大小，所有黑洞都有著共同的特征，這就是事件視界。光線一旦越過事件視界，便無法逃逸。不過，黑洞還是會(huì)露出馬腳，從而被我們捕捉到蹤跡：當(dāng)黑洞不遠(yuǎn)處有一顆恒星時(shí)，恒星的物質(zhì)被黑洞吸引，超高溫的塵埃與氣體形成圍繞黑洞快速旋轉(zhuǎn)的吸積盤，釋放出的X射線可以將黑洞“點(diǎn)亮”。那么，如果黑洞周圍沒有這樣一顆足夠接近的伴星呢？雖然無法直接看見，但科學(xué)家可以通過黑洞對(duì)其他天體的引力效應(yīng)，間接探測到這些神秘天體。
在一項(xiàng)發(fā)表于《天文與天體物理學(xué)雜志》的最新研究中，歐洲南方天文臺(tái)（ESO）的天文學(xué)家就通過這個(gè)方法，取得了一項(xiàng)引人矚目的發(fā)現(xiàn)——他們找到了迄今為止距離地球最近的黑洞。如果結(jié)論成立，南半球的人們甚至可以不借助觀測設(shè)備，肉眼看見這顆黑洞所處的恒星系統(tǒng)。
恒星系統(tǒng)HR 6819位于南天的望遠(yuǎn)鏡星座，距離我們1000光年。這本是一個(gè)毫不起眼、在南半球勉強(qiáng)可以用肉眼看見的普通雙星系統(tǒng)，但研究人員發(fā)現(xiàn)，其中一顆恒星的譜線呈現(xiàn)出周期性的搖擺。因此，在這個(gè)系統(tǒng)中，一定存在著某個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的天體。
進(jìn)一步的分析指出，其中一顆恒星似乎以40天為周期，圍繞著這個(gè)看不見的天體旋轉(zhuǎn)；另一顆恒星距離較遠(yuǎn)，周期也更長。而這枚天體的質(zhì)量，相當(dāng)于太陽質(zhì)量的4.2倍。如果這是一顆恒星，那么考慮其質(zhì)量及距離，地球上的觀測者一定能夠看見這顆恒星。因此研究提出，在HR 6819系統(tǒng)中心的，是一顆黑洞。
埋藏15年的數(shù)據(jù)
這項(xiàng)研究的主要作者，ESO的Thomas Rivinius說：“我們最初以為HR 6819是一個(gè)雙星系統(tǒng)，但我們進(jìn)一步審視才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)它是由3個(gè)天體組成的系統(tǒng)?！?/p>
研究團(tuán)隊(duì)使用ESO位于智利拉息拉天文臺(tái)的2.2米口徑望遠(yuǎn)鏡，取得了這一發(fā)現(xiàn)。不過需要指出的是，這項(xiàng)觀測并不是最近才做出的。早在2004年，天文學(xué)家就在為期數(shù)月的觀測中得到了這些數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)并未引起天文學(xué)家的注意——正如上文提到的，他們認(rèn)為這只是一個(gè)普通的雙星系統(tǒng)。
直到去年，中國國家天文臺(tái)的劉繼峰團(tuán)隊(duì)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量70倍于太陽的最大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞。劉繼峰團(tuán)隊(duì)正是注意到一顆恒星中反常的光譜線，才通過進(jìn)一步的分析提出，這顆恒星正在圍繞一個(gè)“看不見的天體”做近似圓周運(yùn)動(dòng)。
這項(xiàng)發(fā)表在《自然》雜志上的研究引起了Rivinius的注意：“我想，等等，我抽屜里有一些未經(jīng)使用的數(shù)據(jù)，和LB-1（劉繼峰團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的黑洞與恒星組成的雙星系統(tǒng)）非常相像?！庇谑?，Rivinius團(tuán)隊(duì)開始對(duì)這些塵封已久的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析。（注：就在上周，《自然》雜志的兩篇文章對(duì)LB-1系統(tǒng)中的恒星級(jí)黑洞展開了隔空對(duì)話。比利時(shí)魯汶大學(xué)的科學(xué)家認(rèn)為，劉繼峰團(tuán)隊(duì)對(duì)于氫譜線的解釋不正確，因此氫發(fā)射線的來源并非是黑洞；而劉繼峰團(tuán)隊(duì)則在另一項(xiàng)研究中回應(yīng)稱，氫發(fā)射線的問題比之前預(yù)期的更加復(fù)雜，結(jié)合最新數(shù)據(jù)，LB-1中的黑洞質(zhì)量可能在23~65倍太陽質(zhì)量之間。）
根據(jù)HR 6819系統(tǒng)的兩顆恒星的年齡，Rivinius等人提出，該系統(tǒng)中的黑洞，是一次數(shù)千萬年前的超新星爆發(fā)的遺跡。一般情況下，雙星系統(tǒng)中的黑洞能夠吸積伴星的物質(zhì)，由此釋放的大量X射線構(gòu)成發(fā)光盤，將黑洞包圍。有趣的是，在HR 6819系統(tǒng)中，兩顆伴星與黑洞運(yùn)行軌道之間的距離較遠(yuǎn)，足以避免被黑洞“進(jìn)食”。正因?yàn)槿绱耍@個(gè)“雙星”系統(tǒng)在被觀測到之后，一度被天文學(xué)家遺忘多年。
天文學(xué)意義與爭議
如果HR 6819系統(tǒng)中的黑洞的確存在，這一發(fā)現(xiàn)除了更新黑洞與地球的最近距離，還有著一系列天文學(xué)意義。之前人們認(rèn)為，超新星將影響顯著周圍恒星的運(yùn)行軌道，甚至將恒星“踢”至星際空間中。而這個(gè)穩(wěn)定的三體系統(tǒng)則講述了一個(gè)完全不同的故事?！皬倪@個(gè)案例中我們得知，黑洞不用‘踢’走周圍的恒星即可形成?！盧ivinius說。
這項(xiàng)研究的另一個(gè)意義在于，它說明這樣“安靜”的黑洞比此前預(yù)想的更加常見，因此仍有大量類似的未知黑洞等待發(fā)掘。甚至，LB-1也可能屬于這一類此前未知的黑洞系統(tǒng)。當(dāng)然，由于距離更遠(yuǎn)、信號(hào)更弱，LB-1的觀測更加困難，但也并非不可能。Rivinius表示，他們已經(jīng)計(jì)劃研究LB-1系統(tǒng)。
HR 6819還為理解產(chǎn)生引力波的黑洞系統(tǒng)的形成機(jī)制提供了誘人的線索。當(dāng)兩顆黑洞，或是黑洞與中子星并合時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)空漣漪已經(jīng)被天文學(xué)家探測到。但在并合之前，這樣的系統(tǒng)是如何誕生的，卻是個(gè)未解之謎。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的科學(xué)意義充滿了誘惑性，但也有一些科學(xué)家提出了不同意見。加州大學(xué)伯克利分校的Kareem El-Badry（未參與該研究）認(rèn)為，這項(xiàng)研究得出的結(jié)論“顯然是值得懷疑的”。El-Badry注意到，這個(gè)結(jié)論的得出，是基于一系列假設(shè)的，尤其是系統(tǒng)中較為接近黑洞的恒星，質(zhì)量大約相當(dāng)于太陽的5倍。在他看來，這個(gè)假設(shè)并非足夠可靠。一旦這顆恒星的質(zhì)量不及Rivinius團(tuán)隊(duì)的假設(shè)，那么系統(tǒng)中央不可見天體的質(zhì)量也要隨之下降。因此，這顆天體或許根本就不是黑洞，而是一顆質(zhì)量不足以被觀測到的恒星。El-Badry說：“那里一定存在某個(gè)天體，但要說它是黑洞，在我看來是不明智的?！?/p>
阿姆斯特丹大學(xué)的Edward van den Heuvel則從另一個(gè)角度提出了質(zhì)疑，他認(rèn)為目前無法判斷被認(rèn)作的黑洞的天體是4.2倍太陽質(zhì)量的單一天體，還是兩個(gè)距離很近，平均質(zhì)量為2.1倍太陽質(zhì)量的恒星?！斑@同樣可能是一個(gè)四體系統(tǒng)，宇宙中的不少明亮恒星，都位于這樣的四體系統(tǒng)中，”van den Heuvel說，“如果該天體在某個(gè)時(shí)刻釋放X射線，那么我們可以確定它就是黑洞。但如果我們始終無法觀測到X射線信號(hào)，那么問題就來了：它究竟是一個(gè)黑洞，還是兩顆相互繞行的恒星？”
對(duì)此，Rivinius認(rèn)為，如果這是一個(gè)四體系統(tǒng)，那么從HR 6819釋放的光線中，我們可以找到能明確其身份的特征。而要明確其身份，則需要更多望遠(yuǎn)鏡加入，進(jìn)行更長時(shí)間的觀測。由于正在全球蔓延的新冠疫情，大量天文臺(tái)處于關(guān)閉狀態(tài)。Rivinius表示，在觀測重啟后，他們將立即進(jìn)行嘗試。至于目前，我們可以說，太陽系的“后院”中似乎潛伏著一個(gè)未知的“黑暗”伴侶。
