对话天文台高长军：“独行黑洞”是人类第一次探测到单个黑洞，有望看清黑洞真面目

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第118期，对话中国科学院国家天文台研究员高长军。

嘉宾简介：

高长军，中国科学院国家天文台研究员，博士生导师。主要从事引力理论、黑洞物理和宇宙学方面的研究。曾获得上海市自然科学二等奖。近年连续入选“爱斯维尔中国高被引学者”。

• “独行黑洞”既没有伴黑洞、也没有伴恒星、更没有伴吸积盘，它是一个纯粹的、干干净净的黑洞。
  

• 这是一颗恒星质量的黑洞，其质量约为太阳质量的7.15倍，应该是由大质量恒星坍缩形成的。
  

• 通过微引力微透镜探测到孤立黑洞，技术要求非常高，能探测到是非常幸运的。
  

• 或许在不远的将来，aLIGO探测器也很有可能探测到引力波经过孤立黑洞的事件。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨 锦

想象一下，一个比太阳重7.15倍的天体，正在以每秒51公里的速度在银河系中独自“流浪”，它不发光，看不见，也摸不着，像“幽灵”一样在宇宙中穿梭，这就是距离地球约4958光年的“流浪黑洞”或“独行黑洞”。

近期，美国太空望远镜科学研究所的科学家们利用哈勃太空望远镜，经过精密观测与数据分析，终于在《天体物理学报》(ApJ)上发表论文，首次以直接观测证据证实了这类神秘天体的存在。

“独行黑洞”是什么？又是如何形成的？这一发现有什么意义？为什么此前没有被探测到？带着这些问题，搜狐科技对话了中国科学院国家天文台高长军研究员。

“独行黑洞”是由大质量恒星坍缩形成的

能探测到很幸运

高长军称“独行黑洞”是相对于“双黑洞”而言的，想要了解“独行黑洞”，首先要弄明白“双黑洞”的概念。

“双黑洞”就是指两个相互绕转的黑洞，它们组成一对“舞者”，它们可能是恒星级黑洞，也可能是超大质量黑洞。利用引力波的探测手段，我们到目前为止已经发现了将近200例恒星级双黑洞系统。

与此同时，几乎每个星系中心都有一个超大质量黑洞，两个星系合并，最后就可以形成超大质量双黑洞，而现在我们也是发现了一些星系正在合并或者已经合并后形成的超大质量双黑洞，比如距离我们40亿光年的OJ287系统，主黑洞的质量达到了183.5亿倍太阳质量，而另外一个黑洞的质量达到了1.5亿倍的太阳质量。

“另外，我们知道，银河系之中还有上亿颗左右的恒星量级的黑洞，除了刚刚讲过的双黑洞系统之外，还有一些黑洞-恒星系统。在这类系统中，一个天体是恒星级的黑洞，而另外一个天体是正常的恒星。”

“或通过吸积，产生明亮的爆发现象；或通过轨道运行，我们看到了伴星的周期性运动。到目前为止，我们在银河系中发现了不足100例此类现象。除此之外，银河系中还有一类黑洞，那就是独行黑洞。”高长军如是说。

“独行黑洞”则意味着这颗黑洞既没有伴黑洞、也没有伴恒星、更没有伴吸积盘，它是一个纯粹的、干干净净的黑洞。

“观测发现，在至少2000个天文单位（一个天文单位是地球到太阳的距离）的范围内，我们没有找到其它天体，因此，这颗黑洞是一只老虎，是真正的‘独行侠’。”高长军形象地比喻道。

听了这些解释以后，我们不免发问，这颗孤立的、独自流浪的“独行黑洞”究竟是怎么形成的呢？

对此，高长军表示：“因为这是一颗恒星质量的黑洞，其质量约为太阳质量的7.15倍，所以它应该是由大质量恒星坍缩形成的。”

这颗“独行黑洞”与银河系中心的超大质量黑洞（数亿个太阳质量的黑洞）有着显著的不同，它距离地球4958光年，位于银河系的旋臂之中，行进速度是每秒51公里。

“这表明它很可能是由于一次超新星爆炸，获得了一次巨大的冲击力量，从而被逐出了家园。”高长军如是说。

不过，为什么此前我们没有探测到它呢？

“那是因为黑洞是不发光的，是完全的黑体。”高长军答道。

不考虑量子效应，黑洞的温度是绝对零度，可以说黑洞是非常吝啬的，吝啬的连一个光子都休想从它身上拿走——一毛不拔。不仅如此，它强大的引力还会把周围的星光吸引过来，然后据为己有。

因此，我们是断然看不到黑洞的，只有借助于它对伴星的吸引、对遥远星光的偏折、对遥远引力波的偏折或探测它周围发光的吸积盘，才能推测它的存在。

“这次通过微引力微透镜探测到孤立黑洞，技术要求非常高，它要求望远镜、黑洞和恒星几乎完美地处在一条直线上，所以能探测到也是非常幸运的。”高长军如是说。

这是一项非常重要的成果

有望更近距离地看到黑洞的真面目

“独行黑洞的发现借助于微引力透镜的方法，就像夜行人在漆黑的大街上疾走，突然经过一家亮灯的窗前，他挡住了灯光，所以我们瞬间发现了它。当然，严格地讲，黑洞是使遥远的恒星光线发生偏转、聚焦，所以物理概念上与“挡住了灯光”还是有很大的不同”高长军形象地解释道。

在高长军看来，这一发现具有非常重要的科学意义。

它是人类第一次探测到的单个黑洞，是天文学领域的重大成果，也是人类智慧和技术的胜利。

随着进一步的观测，有利于我们更深入、更清晰地看清黑洞的真面目，以此来检验广义相对论和其它引力理论，检验黑洞是否带有标量毛、量子毛，检验宇宙监督猜想等。

“独行黑洞的引力透镜探测与事件视界望远镜的探测不同，事件视界望远镜获得的照片是拍摄超大质量黑洞吸积盘中的热气体发出的电磁波得到的，它并不是黑洞的真面目，只是黑洞的轮廓，而独行黑洞的发现，有望让我们更近距离地看到黑洞的真面目。”高长军如是说。

其实，早在2011年，国际上两个独立的巡天项目——光学引力透镜实验（OGLE）和天体物理微引力透镜观测（MOA），就同时探测到一个异常事件。

一颗背景恒星的光线被扭曲并放大了，这就意味着有一个大质量的隐形天体从它前方经过。至于这个隐形天体是什么？当时还没有结论。接着，哈勃空间望远镜出场了。在六年的时间里，哈勃进行了八次观测，捕捉到了背景恒星光线和位置的细微变化。

另外，天文学家还结合了来自16架地面望远镜的光度测量数据，以及在微引力透镜事件高峰期进行的观测。这些测量共同给出一个结论：这是一个质量约为太阳的7倍，没有任何电磁辐射的天体。因此，人们猜测它很可能就是黑洞。

而在2022年，另一支研究团队分析了更多的哈勃数据，提出了不同的解释。他们认为，该隐形天体的质量较低，介于1.6到4.4个太阳质量之间，这个质量范围比较符合中子星的质量范围。

“一方认为是黑洞，一方认为是中子星。为此，两派争得面红耳赤，不可开交。”高长军讲的津津有味。

于是，为了解决争议，原研究团队重返工作。他们扩展了分析，新增了三次哈勃观测，时间跨度为11年，并综合分析了波兰光学引力透镜的数据。

而处理这些数据的巨大的挑战之一，就是要认真地遴选出被透镜后的源恒星的光，因为这些光几乎被邻近恒星的光给淹没了，这简直就是“大海捞针”，他们需要在每次观测中想法设法地扣除邻近恒星的星光。

最终，在2025年，隐形物体的质量被精确到7.15个太阳质量，而理论上典型的中子星的质量范围在1.35-2.1个太阳质量之间，因此，这也坐实了它是一个黑洞。

罗曼顶“100个哈勃”

未来有望发现更多独行黑洞

该团队称，下一步他们将计划借助于2027年发射的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜找到更多这样的例子。那么罗曼太空望远镜相比于哈勃，又有哪些独特的优势呢？

对此，高长军表示：“虽然罗曼的主镜面直径与哈勃相同，但它的视野却是哈勃第三代宽场照相机视野的200倍，是哈勃高级巡天照相机视野的100倍，因此罗曼以一挡百，老师们说‘它顶100个哈勃’。”

也就是说，哈勃上的相机要拍摄一两百次才可以拍完的天区，罗曼上的相机一次就可以拍完，“我觉得罗曼有望发现更多的独行黑洞。”高长军如是说。

此外，高长军也向搜狐科技介绍了目前我国在这方面的研究进展。

2024年，南京大学天文学院的何建华教授及其研究团队就提出了一种利用升级的激光干涉引力波探测器-aLIGO的观测新方法，他们通过研究引力波的引力透镜效应来探测孤立黑洞，这项成果也被发表在2024年的《物理学评论快报》上。

“直观上理解，引力波引力透镜与电磁波引力透镜在道理上是相似的，因为无论是电磁波还是引力波，在它们掠过黑洞附近时，都会受到黑洞强大的引力而发生弯曲，从而偏离直线传播。”高长军解释道。

但是，由于爱因斯坦方程的高度复杂性，如何精确地描述引力波掠过黑洞，这是一件非常困难的事情。

于是借助数值模拟的方法，他们在国际上首次成功地展示了引力波掠过黑洞的详细过程。通过数值模拟，他们发现当遥远的引力波经过孤立黑洞时，黑洞的强引力场会导致引力波产生后散射效应，这种效应会显著增强波形的振幅。

在高长军看来，或许在不远的将来，aLIGO探测器也很有可能在未来探测到引力波经过孤立黑洞的事件。

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