从未有一个黑洞，如此接近地球：首个肉眼可见的黑洞系统被找到了？
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HR 6819系统的艺术概念图（图片来源：ESO and L. Calçada）
撰文 Jonathan O'Callaghan
编译 吴非
肉眼可“见”的黑洞
黑洞无疑是宇宙中最神秘的天体，他们隐匿在黑暗中，吞噬着一切进入的光线。无论体型大小，所有黑洞都有着共同的特征，这就是事件视界。光线一旦越过事件视界，便无法逃逸。不过，黑洞还是会露出马脚，从而被我们捕捉到踪迹：当黑洞不远处有一颗恒星时，恒星的物质被黑洞吸引，超高温的尘埃与气体形成围绕黑洞快速旋转的吸积盘，释放出的 X 射线可以将黑洞“点亮”。那么，如果黑洞周围没有这样一颗足够接近的伴星呢？虽然无法直接看见，但科学家可以通过黑洞对其他天体的引力效应，间接探测到这些神秘天体。
在一项发表于《天文与天体物理学杂志》的最新研究中，欧洲南方天文台（ESO）的天文学家就通过这个方法，取得了一项引人瞩目的发现——他们找到了迄今为止距离地球最近的黑洞。如果结论成立，南半球的人们甚至可以不借助观测设备，肉眼看见这颗黑洞所处的恒星系统。
恒星系统 HR 6819 位于南天的望远镜星座，距离我们 1000 光年。这本是一个毫不起眼、在南半球勉强可以用肉眼看见的普通双星系统，但研究人员发现，其中一颗恒星的谱线呈现出周期性的摇摆。因此，在这个系统中，一定存在着某个尚未被发现的天体。
进一步的分析指出，其中一颗恒星似乎以 40 天为周期，围绕着这个看不见的天体旋转；另一颗恒星距离较远，周期也更长。而这枚天体的质量，相当于太阳质量的 4.2 倍。如果这是一颗恒星，那么考虑其质量及距离，地球上的观测者一定能够看见这颗恒星。因此研究提出，在 HR 6819 系统中心的，是一颗黑洞。
埋藏15年的数据
这项研究的主要作者，ESO 的 Thomas Rivinius 说：“我们最初以为 HR 6819 是一个双星系统，但我们进一步审视才发现，其实它是由 3 个天体组成的系统。”
研究团队使用 ESO 位于智利拉息拉天文台的 2.2 米口径望远镜，取得了这一发现。不过需要指出的是，这项观测并不是最近才做出的。早在 2004 年，天文学家就在为期数月的观测中得到了这些数据。但这些数据并未引起天文学家的注意——正如上文提到的，他们认为这只是一个普通的双星系统。
直到去年，中国国家天文台的刘继峰团队利用郭守敬望远镜，发现了质量 70 倍于太阳的最大质量恒星级黑洞。刘继峰团队正是注意到一颗恒星中反常的光谱线，才通过进一步的分析提出，这颗恒星正在围绕一个“看不见的天体”做近似圆周运动。
这项发表在《自然》上的研究引起了 Rivinius 的注意：“我想，等等，我抽屉里有一些未经使用的数据，和 LB-1（刘继峰团队发现的黑洞与恒星组成的双星系统）非常相像。”于是，Rivinius 团队开始对这些尘封已久的数据进行重新分析。（注：前段时间，《自然》杂志的两篇文章对 LB-1 系统中的恒星级黑洞展开了隔空对话。比利时鲁汶大学的科学家认为，刘继峰团队对于氢谱线的解释不正确，因此氢发射线的来源并非是黑洞；而刘继峰团队则在另一项研究中回应称，氢发射线的问题比之前预期的更加复杂，结合最新数据，LB-1 中的黑洞质量可能在23~65倍太阳质量之间。）
根据 HR 6819 系统的两颗恒星的年龄，Rivinius 等人提出，该系统中的黑洞，是一次数千万年前的超新星爆发的遗迹。一般情况下，双星系统中的黑洞能够吸积伴星的物质，由此释放的大量X射线构成发光盘，将黑洞包围。有趣的是，在 HR 6819 系统中，两颗伴星与黑洞运行轨道之间的距离较远，足以避免被黑洞“进食”。正因为如此，这个“双星”系统在被观测到之后，一度被天文学家遗忘多年。
天文学意义与争议
如果 HR 6819 系统中的黑洞的确存在，这一发现除了更新黑洞与地球的最近距离，还有着一系列天文学意义。之前人们认为，超新星将影响显著周围恒星的运行轨道，甚至将恒星“踢”至星际空间中。而这个稳定的三体系统则讲述了一个完全不同的故事。“从这个案例中我们得知，黑洞不用‘踢’走周围的恒星即可形成。” Rivinius 说。
这项研究的另一个意义在于，它说明这样“安静”的黑洞比此前预想的更加常见，因此仍有大量类似的未知黑洞等待发掘。甚至，LB-1 也可能属于这一类此前未知的黑洞系统。当然，由于距离更远、信号更弱，LB-1 的观测更加困难，但也并非不可能。Rivinius 表示，他们已经计划研究 LB-1 系统。
HR 6819 还为理解产生引力波的黑洞系统的形成机制提供了诱人的线索。当两颗黑洞，或是黑洞与中子星并合时，产生的时空涟漪已经被天文学家探测到。但在并合之前，这样的系统是如何诞生的，却是个未解之谜。
这项发现的科学意义充满了诱惑性，但也有一些科学家提出了不同意见。加州大学伯克利分校的 Kareem El-Badry（未参与该研究）认为，这项研究得出的结论“显然是值得怀疑的”。El-Badry 注意到，这个结论的得出，是基于一系列假设的，尤其是系统中较为接近黑洞的恒星，质量大约相当于太阳的 5 倍。在他看来，这个假设并非足够可靠。一旦这颗恒星的质量不及 Rivinius 团队的假设，那么系统中央不可见天体的质量也要随之下降。因此，这颗天体或许根本就不是黑洞，而是一颗质量不足以被观测到的恒星。El-Badry 说：“那里一定存在某个天体，但要说它是黑洞，在我看来是不明智的。”
阿姆斯特丹大学的 Edward van den Heuvel 则从另一个角度提出了质疑，他认为目前无法判断被认作的黑洞的天体是 4.2 倍太阳质量的单一天体，还是两个距离很近，平均质量为 2.1 倍太阳质量的恒星。“这同样可能是一个四体系统，宇宙中的不少明亮恒星，都位于这样的四体系统中，” van den Heuvel 说，“如果该天体在某个时刻释放 X 射线，那么我们可以确定它就是黑洞。但如果我们始终无法观测到 X 射线信号，那么问题就来了：它究竟是一个黑洞，还是两颗相互绕行的恒星？”
对此，Rivinius 认为，如果这是一个四体系统，那么从 HR 6819 释放的光线中，我们可以找到能明确其身份的特征。而要明确其身份，则需要更多望远镜加入，进行更长时间的观测。由于正在全球蔓延的新冠疫情，大量天文台处于关闭状态。Rivinius 表示，在观测重启后，他们将立即进行尝试。至于目前，我们可以说，太阳系的“后院”中似乎潜伏着一个未知的“黑暗”伴侣。
论文信息：
A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary
Th. Rivinius, D. Baade, P. Hadrava, M. Heida and R. Klement
A&A, 637 (2020) L3
DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038020
原文链接：
https://www.scientificamerican.com/article/astronomers-may-have-found-the-closest-black-hole-to-earth/
本文转载自公众号“环球科学”
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