在廣袤而神秘的宇宙中，黑洞無疑是最能激發人類想像力的天體之一。
然而，發現新的黑洞並非易事 —— 從何處著手？最近的研究揭示了一類新的黑洞，其中包括我們所知的離地球最近的黑洞。
作為一名天文學家，我已經研究黑洞多年了。親身經歷告訴我，找到新的黑洞並不像人們想像的那麼簡單。首先要考慮的是，黑洞是黑的，黑洞的引力極強，甚至連光 —— 宇宙中速度最快的物質 —— 都無法逃脫它的事件視界（黑洞周圍物質有去無回的邊界）。這就意味著天文學家只能通過黑洞與其周圍其他星體之間的相互作用來檢測黑洞。比如，我們知道銀河系中心有一個超大質量黑洞 —— 人馬 A*（Sagittarius A*，簡寫為 Sgr A*），其質量是太陽的 400 萬倍以上。最初，天文學家觀察到一顆恆星圍繞著一個看不見的物體飛速運動，於是推測出了黑洞的存在。這一驚人的結果足以為這位天文學家贏得 2020 年的諾貝爾物理學獎。兩年後，在 2022 年 5 月，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）的成員宣布，他們成功將全球的射電望遠鏡連接起來，拍攝到了人馬 A * 的照片。這張照片展示了事件視界外層的一個壯觀的熱等離子環，這是黑洞吸積周圍氣體形成的。
這個休眠黑洞並沒有從附近的伴星上吸引物質。它沒有明亮的吸積盤，所以天文學家不得不尋找其他方法來探測這類黑暗星體。
黑洞 —— 最糟糕的宿主
雖然我們的銀河系只有一個超大質量黑洞，但它卻是許多較小黑洞的宿主。這些黑洞是由大質量恆星（其質量比太陽大 18 倍以上）的坍縮在超新星爆發中形成的。多虧了黑洞伴星的運動軌跡，我們知道了雙星系統中存在的幾個黑洞。最著名的是天鵝座 X-1（Cyg X-1）黑洞，儘管它距離我們約 7000 光年遠，但它是天空中最明亮的 X 射線源之一。天鵝座 X-1 是首個被廣泛接受為黑洞的源頭。事實上，天體物理學家基普・索恩（Kip Thorne）和斯蒂芬・霍金（Stephen Hawking）在 20 世紀 70 年代曾打過一場著名的賭，賭天鵝座 X-1 是否是黑洞。索恩認為天鵝座 X-1 是黑洞，而霍金則認為不是。在 20 世紀 90 年代初，當證據明確後，霍金樂意承認這是黑洞。
如今，天文學家确信天鵝座 X-1 是一個黑洞，其質量約為太陽質量的 21 倍。有一顆藍巨星圍繞它轉，繞行軌道距天鵝座 X-1 僅有 1/5 個天文單位（天文學家將地球與太陽之間的平均距離稱為天文單位，簡稱 AU）。這顆藍巨星的質量是太陽質量的 20 到 40 倍，它也將在未來的某一天變成一個黑洞。它的恆星風會不斷地將粒子吹向天鵝座 X-1，這個過程叫做吸積。我們所看到的明亮的 X 射線輻射正是由吸積造成的。研究人員還通過這種方式發現了其他幾個黑洞（甚至發現了中子星）。這些從鄰近的伴星上吸積物質的致密天體，與其伴星，共同形成了 X 射線雙星。
歷經兩年的辛勤投入，事件視界望遠鏡團隊於 2019 年首次成功拍攝到了 M87 星系中心的黑洞，得到了一幅驚人的圖像。該黑洞的質量約為太陽質量的 65 億倍，吸積一個旋轉的發光物質盤，即圖中包裹著黑洞的那片明亮區域。
X 射線雙星是一種特殊的、非典型的系統。黑洞和伴星必須非常接近，才能感應到伴星所釋放的物質。那么，那些兩個星體之間距離更遠的雙星系統呢？那些因為沒有伴星，所以沒有物質可吸積的黑洞呢？有沒有辦法找到這樣的黑洞？
從歷史上看，答案是否定的。我提到過，孤立的黑洞是黑的。但就在幾個月前，歐洲空間局（ESA）的蓋亞任務和天文學家卡里姆・艾爾・巴德里（Kareem El-Badry）找到了辦法。
黑洞是宇宙中最神秘的物體之一，但研究人員已經弄清了吸積黑洞的主要組成部分。圖片來源：歐洲南方天文台（European Southern observatory）。
蓋亞天文衛星：精確數據的源泉
卡里姆現任加州理工學院天文學助理教授。他在加州大學伯克利分校攻讀博士學位期間，就開始尋找黑洞。他回憶道：“讀博期間，我花了很多時間尋找非吸積黑洞，但並沒有找到。” 我第一次遇見卡里姆的時候，我們還都在哈佛大學攻讀天文學博士後，當時他已經在天文領域聲名顯赫，被譽為 “黑洞揭秘者”，儘管他本無意於這些名號。卡里姆花了大量時間，去證實其他天文學家發表的論文中所聲稱發現的黑洞。但當他檢查那些論文中的數據時，他發現，這些論文作者壓根就沒有發現黑洞。也就是說，卡里姆發現這些可能存在的黑洞都經不起審查。他表示：“那些論文中提到的黑洞根本不存在，而且探測黑洞的方法有待優化。”
然而，有一種尋找黑洞的潛在方法引起了卡里姆的注意。該方法涉及到了蓋亞衛星。該衛星發射於 2013 年，旨在測量天體，這意味著，蓋亞衛星要收集數百萬顆恆星的精確位置。每隔幾個月，蓋亞衛星會精確測量並收集恆星在太空中的位置。隨著時間的推移，每顆恆星的位置數據變得越來越精確。每隔幾年，新發布的蓋亞數據就會更新先前的星表，引起轟動。
2022 年 6 月，最新的蓋亞衛星數據（蓋亞 DR3）發布了，卡里姆也做好了準備：僅在數據發布後的五分鐘內，他就在這個龐雜的新星表上運行了一個程序，專門尋找那些在軌道中發生 “搖晃” 的恆星。這種搖晃恰是由一個看不見的黑洞的伴星引起的。當一顆恆星與另一個星體形成引力束縛系統時，這兩個（甚至三個或更多）物體會繞著一個名為質心的共同中心旋轉。即使觀測不到第二個物體，但從地球上的角度來觀測，恆星也會前後移動。一旦確定了其軌道，天文學家就可以通過開普勒行星運動定律來計算其伴星的質量。天文學家經常使用這種技術來探索系外行星。然而，在發射蓋亞衛星之前，數據遠不夠精確，不能用於追蹤黑洞。如今，蓋亞衛星數據的精確度夠了，足以使天文學家查探疑似 X 射線雙星活動的位置，看看是否存在搖晃現象。隨後，天文學家就能夠尋找這些 “搖晃” 的恆星來研究，看看它們是否可能是 X 射線雙星。
現在，卡里姆拿到了蓋亞 DR3 的數據，經過他的一通分析，在數據庫中的數百萬顆恆星中，有兩顆恆星與眾不同。分析完畢，結果顯示，這兩顆恆星正繞著離地球最近的兩個黑洞運動。
這塊拼圖位置對嗎？
像藝術家描繪的那樣，沒有吸積盤的孤立黑洞在整個宇宙中無法被找見，因為我們無法用肉眼觀測到孤立的黑洞。
第一顆疑似黑洞伴星的恆星與太陽非常相似。它的大小和質量與太陽相當，距離我們 1,560 光年。這顆恆星很亮，很容易被專業望遠鏡觀測到。以上就是所有的相似之處了。與我們的太陽不同的是，這顆恆星繞著一顆看不見的巨大伴星運動，繞行一圈的周期為六個月。兩星之間的距離大約和從火星到太陽之間的距離一樣。通過後續觀測，研究人員確認了這個軌道，並推算出，這顆看不見的星體的質量是太陽的 10 倍，比那顆可見的伴星大得多。而且該星體不可能是另一顆恆星，因為一顆質量如此巨大的恆星會更亮，比第一顆恆星更容易被發現。況且，沒有其他已知物體既有如此巨大的質量，又是黑暗的。通過簡單的排除法，我們能夠得出結論：這顆看不見的伴星一定是黑洞。卡里姆給該黑洞命名為蓋亞 BH1（Gaia BH1），這就是目前已知的，距離地球最近的黑洞。
這一發現登上了新聞頭條，震驚了天文學界。蓋亞 BH1 不僅比先前離地球最近的黑洞麒麟座 V616（V616 Monocerotis）還要近三倍，而且它是一顆休眠的黑洞，也就是說，它不會從伴星中吸取物質，形成吸積盤。以前從未發現過類似這樣的星體。“因為軌道的寬度一直保持不變，所以我們可以由此研究黑洞自身的演化。” 凱蒂・布雷維克（Katie Breivik）解釋道，她是卡內基梅隆大學的一位研究恆星和黑洞演化的天文學家。凱蒂表示：“這個休眠的黑洞對於研究黑洞形成是一個了不起的寶藏。”
其中一個未知因素是該雙星系統最初是如何形成的。布雷維克表示：“由於雙星之間的相互作用，軌道會隨著時間變窄。目前，我們認為不可能產生孤立存在的黑洞。” 換句話說，我們不理解蓋亞 BH1 系統（包括黑洞和類似太陽的恆星）是如何形成的。這是因為，先前已知的雙星系統中的黑洞，當它們還是恆星的時候，有可能在演化過程中與同伴共享物質。此外，毫無跡象表明，這顆類似太陽的伴星曾與其他恆星或黑洞之間產生近距離的相互作用。“這是個謎團。” 布雷維克如是說。
研究人員討論了幾種可能：例如，假設該系統最初是一個三星系統，其中一顆伴星被拋射出去，或者被黑洞吞噬了。但要證實這種可能性非常困難。另一種可能是，類似太陽的恆星和最終成為蓋亞 BH1 的恆星都是在同一個擁擠的星團中誕生的，並被推入了同一個軌道。過了數百萬年，現在很難證明該情景是否曾經發生過。
這個發現也引發了其他問題：蓋亞 BH1 真的是一個休眠的黑洞嗎？它是唯一的休眠黑洞嗎？這就是我想研究的課題。
要不要進行探測
正如卡里姆的科學聲譽是靠發現黑洞得來的一樣，我的科學聲譽是靠探測黑洞發出的射電輻射贏得的。這種輻射通常是在黑洞撕裂恆星，並吞噬恆星時發出的。2022 年末，當蓋亞 BH1 的消息傳出時，我正待在哈佛大學的辦公室裡，就在卡里姆的隔壁，所以我趕緊跑過去問：他或他的同事是否考慮過用新墨西哥州的甚大陣（VLA）專門觀測這個射電輻射源？畢竟，那顆類似太陽的恆星會散發與太陽相似的太陽風粒子。在這樣近的距離上，僅用幾個小時的甚大陣時間可能就足以探測到這些粒子落入黑洞時的輻射，或是來確定，這個黑洞的吸積速率一定非常低。
卡里姆同意了，並安排好了甚大陣觀測時間，以便獲得更好的觀測結果。不幸的是，在蓋亞 BH1 的位置上並沒有檢測到任何射電波。但也不全是壞消息。幾天後，觀測結果令人遺憾。卡里姆表示：“在蓋亞衛星傳回的數據中，我還發現了另一個可能存在的黑洞，如果查明該黑洞確實存在的話，那麼，它將是離地球第二近的黑洞。而且，探測這個黑洞的射電輻射，可能更為合適。不過，該黑洞位於南半球，有興趣觀測一下嗎？”
我想任何一位天文學家都不會拒絕這樣的機會。卡里姆詳細地向我介紹了情況：蓋亞 BH2 距離地球約 3800 光年，比蓋亞 BH1 更遠。蓋亞 BH2 與其伴星相距 5 個天文單位（約等於太陽到木星的距離），這意味著需要 3.5 年才能繞軌道運行一圈。然而，幸運的是，這對星體將在 2023 年 2 月離彼此最近（抵達近星點）。更重要的是，該雙星系統中的恆星是一顆紅巨星。太陽遲早也會變成一顆紅巨星的，當太陽核心的氫燃燒殆盡時，太陽會膨脹、冷卻變紅，並產生更強的星風。所以，雖然蓋亞 BH2 比蓋亞 BH1 離地球更遠，但它所散射的更強的粒子流意味著我們更有可能探測到黑洞吸積輻射。如果我們仍然無法探測到任何輻射，那就意味著我們發現了新一類黑洞，一類無法用當前技術直接觀測到的黑洞。
如果觀測時間足夠長，一個與看不見的黑洞形成雙星系統的恆星在空間中會出現明顯的擺動。蓋亞衛星同時在兩個方向上進行持續的掃描，來探測這種擺動，並以約 20 微角秒的精度測量每顆恆星的位置。圖片來源：天文學：羅恩・凱莉（Astronomy: Roen Kelly）。
我們加急撰寫了觀測申請，獲批南非 MeerKAT 射電望遠鏡的使用權。觀測計劃就安排在了近星點時刻。在一個瑞雪紛飛的冬季，我在週末醒來，毫無準備地收到一封郵件，告訴我觀測成功了。現在，真正的樂趣才剛剛開始！
我選擇當一名天文學家的理由有很多，但每當我得到新的觀測數據時，只有一個理由佔據了我的頭腦，就為了那個瞬間，那个熬過焦灼的等待，終於收到從世界的另一端傳輸過來的數據時的瞬間。顷刻間，我成為了世界上唯一一個知道宇宙最新訊息的人。我該怎麼描述這般充斥靈魂的感覺？尤其是當我們探究能否能探測到新型的黑洞時，這種感覺尤為強烈。我可以告訴你，這種感覺讓人上癮！
有時候，我的螢幕上會冒出一片空白的像素點，我也不意外，因為探測工作哪有這麼順利？雖然能探測輻射到總歸比探測不到輻射更令人興奮，但是，這一次，我很驚訝的是，我們竟然一點兒輻射也探測不到。根據我們對黑洞和恆星環境的理解，本該能探測到射電輻射的。但是，實際上，我們確實沒探測到任何射電波。這意味著，那些星風粒子一直離蓋亞 BH2 的事件視界靠得不夠近，所以不能產生吸積現象，也就無法產生射電波。這就可能意味著，某種物質在阻止兩星體靠近。也許是事件視界附近有一股強大的風，把星體吹遠了？我開始興奮地想像所有可能導致我們探測不到輻射的原因。
我想到了一个从未直接探测到的、仅存于猜想之中的黑洞家族，即孤立黑洞，或离群黑洞。这类黑洞没有伴星，估计有 1 亿个这样的黑洞在银河系中默默漫游。我们是否能通过它们与游离气体和尘埃之间偶尔的相互作用来探测到它们呢？蓋亞 BH2 的探測結果顯示，根本沒戲。深空並非絕對真空，但它比蓋亞黑洞附近的空間要空曠得多。蓋亞 BH1 和 BH2 均探測不到輻射，由此可推：僅憑現在的技術，人類無法探測到吸積現象產生的電磁輻射，從而探測不到孤立的黑洞。我們仍需要相當長的時間來確認是否存在孤立的黑洞。這個想法從科幻故事中走出來，令人神往又恐懼，而我收集到的射電數據將想法變成了現實。
這個新的黑洞家族可能是我們迄今為止能直接探測到的最黑的黑洞，觀測不到 X 射線或引力波。但令人興奮的是，我們對這些黑洞的研究才剛剛開始。蓋亞衛星的任務遠未結束。歐洲空間局（ESA）計劃在 2030 年之前會通過測量數百萬個星體來收集更加精確的數據。2025 年，等歐洲空間局到時候發布新一輪數據時，我們預計，會在星表中發現數十個這類新的黑洞家族的成員，待我們去探尋。我們將準備就緒，迎接這一天的到來。
黑洞不會吸走一切！
關於黑洞有一個常見的誤解，人們誤以為黑洞類似於宇宙中的真空吸塵器，吸入並吞噬靠近的一切物質。然而，事實並非如此。雖然黑洞體積小、質量巨大，但它的引力和其質量對應，不比太陽、地球或其他有質量的星體的引力更大。
比如，想像一下，太陽突然坍縮成一個黑洞。新形成的 “黑洞太陽” 質量不變，只是半徑變得只有大約一英里（約 1.6 公里）。令人驚奇的是，地球和其他行星仍然會按照之前的軌道繼續運行，一切照舊。只有當星體離黑洞太近時，才會被撕裂，就像現在太陽把靠得太近的彗星撕裂一樣。但只要和黑洞保持距離，就沒有被吸進去的危險了。