天文学家发现离地球最近的黑洞

黑洞是宇宙中最极端的物体。这些难以想象的密集物体的超大质量版本可能位于所有大型星系的中心。恒星质量的黑洞——其重量约为太阳质量的5到100倍——更为常见，仅在银河系中就估计有1亿个。

然而，迄今为止只有少数被证实，而且几乎所有这些都是“活跃的”——这意味着它们在消耗附近恒星伴星的物质时会在X射线中发出明亮的光芒，而休眠的黑洞则不会。

天文学家在夏威夷使用双子座北望远镜，这是国际双子座天文台的双子望远镜之一，由NSF的NOIRLab运营，发现了离地球最近的黑洞，研究人员将其命名为GaiaBH1。这个休眠黑洞的质量约为太阳质量的10倍，位于蛇夫座约1,600光年之外，比之前的记录保持者(麒麟座的X射线双星)离地球近三倍.

这一新发现是通过对黑洞伴星的运动进行精细观察而实现的，这是一颗类似太阳的恒星，它围绕黑洞运行的距离与地球绕太阳运行的距离大致相同。

“以太阳系为例，在太阳所在的地方放一个黑洞，在地球所在的地方放一个太阳，你就得到了这个系统，”天体物理学中心的天体物理学家KareemEl-Badry解释说|哈佛和史密森尼学会和马克斯普朗克天文学研究所，以及描述这一发现的论文的主要作者。

“虽然有许多声称检测到这样的系统，但几乎所有这些发现随后都被驳斥了。这是在我们银河系中恒星质量黑洞周围的宽轨道上首次明确检测到一颗类太阳恒星。”

尽管可能有数百万个恒星质量的黑洞在银河系中漫游，但少数被发现的黑洞是通过它们与伴星的能量相互作用而被发现的。当来自附近恒星的物质盘旋进入黑洞时，它变得过热并产生强大的X射线和物质射流。如果黑洞没有主动进食(即处于休眠状态)，它只会与周围环境融为一体。

“在过去的四年里，我一直在使用各种数据集和方法寻找休眠的黑洞，”El-Badry说。“我之前的尝试——以及其他人的尝试——发现了一系列伪装成黑洞的二元系统，但这是搜索第一次取得成果。”

该团队最初通过分析来自欧洲航天局盖亚航天器的数据确定该系统可能存在黑洞。盖亚捕捉到了由看不见的大质量物体的引力引起的恒星运动中的微小不规则性。为了更详细地探索该系统，El-Badry和他的团队求助于GeminiNorth的GeminiMulti-ObjectSpectrograph仪器，该仪器测量了伴星绕黑洞运行时的速度，并提供了对其轨道周期的精确测量。

双子座的后续观测对于限制轨道运动以及因此限制双星系统中两个组件的质量至关重要，使团队能够将中心天体识别为质量约为太阳10倍的黑洞。

“我们的双子座后续观测毫无疑问地证实了该双星包含一颗正常的恒星和至少一个休眠的黑洞，”El-Badry阐述道。“我们找不到合理的天体物理学场景来解释观察到的系统轨道，它至少不涉及一个黑洞。”

该团队不仅依靠GeminiNorth卓越的观测能力，还依靠Gemini在紧迫的期限内提供数据的能力，因为该团队只有很短的窗口可以进行后续观察。

“当我们第一次有迹象表明该系统包含一个黑洞时，我们只有一周的时间，这两个物体在它们的轨道上处于最接近的距离。此时的测量对于在双星系统中进行准确的质量估计至关重要，”埃尔-巴德里说。“双子座提供快速周转观测的能力对于项目的成功至关重要。如果我们错过了那个狭窄的窗口，我们将不得不再等一年。”

天文学家目前的双星系统演化模型很难解释盖亚BH1系统的特殊配置是如何产生的。具体来说，后来变成新发现的黑洞的前身星的质量至少是我们太阳的20倍。

这意味着它只活了几百万年。如果两颗恒星同时形成，这颗大质量恒星将很快变成一颗超巨星，在它有时间成为像我们的太阳一样的适当的、燃烧氢的主序星之前，会膨胀并吞没另一颗恒星。

正如黑洞双星的观测所表明的那样，完全不清楚这颗太阳质量的恒星是如何在这一事件中幸存下来的，最终成为一颗看似正常的恒星。确实允许生存的理论模型都预测，这颗太阳质量的恒星最终应该在一个比实际观察到的更紧密的轨道上。

这可能表明我们对黑洞如何在双星系统中形成和演化的理解存在重要差距，也表明在双星系统中存在尚未探索的休眠黑洞种群。

“有趣的是，这个系统不容易被标准的二元进化模型所容纳，”El-Badry总结道。“它提出了许多关于这个二元系统是如何形成的问题，以及那里有多少这些休眠的黑洞。”

“作为空间和地面观测站网络的一部分，GeminiNorth不仅为迄今为止最近的黑洞提供了强有力的证据，而且还提供了第一个原始黑洞系统，不受通常与黑洞相互作用的热气体的影响”NSF双子座项目官员MartinStill说。

“虽然这可能预示着我们银河系中预测的休眠黑洞种群的未来发现，但这些观察也留下了一个有待解决的谜团——尽管与它的奇异邻居有共同的历史，为什么这个双星系统中的伴星如此正常?”