以下文章来源于微信公众号：环球科学 ，作者环球科学

大约五个月前，我们曾在《首次发现！5000光年外一颗流浪黑洞正在群星间飞速潜行》一文中报道了人类发现的第一颗流浪黑洞。但最近，又一篇预印本论文表明，这颗黑洞可能不仅是人类发现的第一颗流浪黑洞，还可能是人类已知的最小的黑洞。

撰文｜王昱

审校｜白德凡

今年1月31日，美国空间望远镜研究所（STScl）的凯拉什·萨胡（Kailash Sahu）在预印本网站上发表论文，表示他们首次发现了银河系中的“流浪黑洞”。这个黑洞距离地球5000光年，以每秒45千米的速度在宇宙中飞驰。

引力透镜

黑洞是一类引力极强的天体，连光都可以吞噬。以往发现的黑洞一般都在吸积气体，气体在落入黑洞的过程中会被摩擦加热到极高的温度，放出X射线；或者有一颗与之相互绕转的伴星，天文学家能通过伴星的运动轨迹推测黑洞的存在；又或者它位于星系中央，天文学家能将世界各地的射电望远镜联合起来拍摄它的照片。但如果想找到宇宙中孤立的流浪黑洞，目前我们掌握的手段只有引力透镜。

黑洞在星系背景上移动的模拟动画。图片来源：public domain

广义相对论告诉我们，引力能扭曲光线。1916年，爱因斯坦就曾预言太阳的引力可以扭曲附近的光线，从而让其附近恒星的视位置偏移少许。1919年，英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）在日全食时观测了太阳附近的恒星，验证了爱因斯坦的预言。

这种偏转光线的能力，让黑洞这种致密天体可以变成一个“引力透镜”。如果天文学家发现星空背景产生了畸变，那这个方向上就可能存在一个能充当引力透镜的致密天体。当这种天体在宇宙中移动时，会汇聚背景星光，从而让背景星突然变亮。

哈勃空间望远镜检测到一颗恒星的亮度变化，这是由于一个致密天体在前方飞过，汇聚了恒星的光线导致的。图片来源：NASA, ESA, Kailash Sahu (STScI)

2011年6月，波兰华沙大学的光学引力透镜实验（OGLE），以及新西兰和日本开展的天体物理学微透镜观测（MOA）都发现了一个值得注意的现象，在银河系中心方向上有一颗恒星突然变亮了（在两个项目中这次事件名分别为OGLE- 2011-BLG-0462/MOA-2011-BLG-191，可以简称为OB110462）。萨胡认为这可能是微引力透镜（microlensing）导致的，并用哈勃空间望远镜观测目标天区，在接下来的6年中反复观测。最终，萨胡团队根据光线偏转的程度推测，这是一颗7.1倍太阳质量的黑洞导致的。他们当时在预印本网站上发表的论文现在也已经被《天体物理学报》接收。

最小的黑洞

但是加州大学伯克利分校的凯西·林（Casey Lam）团队在预印本网站上发表的论文却表示，构成引力透镜的物体，质量可能在1.6～4.4倍太阳质量之间。这表明除了黑洞之外，这个引力透镜也可能代表一颗中子星。该团队中的杰西卡·卢（Jessica Lu）表示：“尽管我们很想说它绝对是一个黑洞，但我们必须报告所有的可能结果，这其中包含低质量黑洞、甚至还包含中子星。”

两个团队的研究都表明，产生OB110462天体距离我们5000光年左右，并且很难观测到它本身发出的光（这对中子星来说是可能的），只是两者的质量估计不同。林研究团队在论文中表示，两个团队对引力透镜质量估计的差异可能是因为使用的数据集不同，因为他们额外使用了哈勃空间望远镜2021年的数据；也可能是分析原理的不同，虽然两个团队在分析时都使用了测光方法和天体测量学方法，但是他们使用的权重是不同的；或者二者皆有。在进行进一步工作之前，必须找清楚两个研究差异的来源。

蓝色是通过引力波发现的黑洞，红色为通过电磁波发现的黑洞。可以看出很少有5倍太阳质量以下的黑洞。图片来源：LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern

但是，这个引力透镜一定是由一颗致密天体产生的。理论上，中子星质量最大可以到太阳质量的2.3倍。在这个质量以上，中子星内部的中子简并压就不足以抵抗强大的引力，只能塌缩成一颗黑洞。但是，除了个别引力波事件之外，人类很少能发现质量在5倍太阳质量以下的黑洞。如果OB110462真的是由一颗低质量黑洞产生的，它不仅有机会成为人类已知的最小的黑洞，也能补上黑洞和中子星之间的质量缺口。

除了OB110462，林团队还发现了4个引力透镜，它们的质量都在2倍太阳质量以下，不可能是黑洞，只能是白矮星或中子星。这5个候选样本中黑洞的比例和对银河系黑洞总数的估计一致。

天文学家估计银河系中有1亿颗恒星质量黑洞。这样的黑洞只能由20倍太阳质量以上的恒星在死亡时产生，尽管这种恒星仅占银河系恒星总数的0.1%，但考虑到银河系1000亿～2000亿颗的恒星总数和它130亿年的历史，1亿颗是个比较合理的数字。从统计学上来看，银河系中距离地球最近的流浪黑洞可能离我们只有80光年，所以这颗5000光年外的流浪黑洞距我们并不是很近。作为参考，太阳系之外距我们最近的恒星在4.2光年外。

它是暗物质吗？

既然流浪黑洞很难被观测到，同时数量颇多，质量庞大，那它可能是暗物质吗？事实上，天文学家在上个世纪就考虑过这个问题，而流浪黑洞应该算作晕族大质量致密天体（massive compact halo object，MACHOs）。在过去的25年中，天文学家同样用微引力透镜寻找这些暗物质候选体。他们发现，就算没有地球大气层的扰动，恒星背景也会一直不停闪烁，除了恒星本身的变化外（比如恒星本身就是变星），有一部分闪烁就是由MACHOs的微引力透镜导致的。最终，他们发现，银河系中20%的暗物质都有可能是MACHOs，这其中就包含如今发现的流浪黑洞。

不过理论上的研究表明，MACHOs并不能解释所有暗物质，如果假设所有的暗物质都是由MACHOs构成，那么宇宙微波背景辐射的温度涨落幅度就太小，和今天的宇宙结构相矛盾。

2025年，欧洲航天局将公布盖亚望远镜得到的引力透镜数据，NASA计划在2027年发射的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜（Nancy Grace Roman Space Telescope）也将继续监视星空。在它们的帮助下，我们一定能发现更多流浪黑洞。

参考链接：

https://arxiv.org/abs/2201.13296

https://arxiv.org/abs/2202.01903

https://www.space.com/dark-black-hole-wandering-milky-way-smallest-yet

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2022/news-2022-001

https://en.wikipedia.org/wiki/Massive_compact_halo_object

https://wwwmacho.anu.edu.au

本文经授权转载自微信公众号：环球科学  作者：环球科学

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院高能所立场

编辑：苑新阳