作者：王鬆（中國科學院國家天文台副研究員）

　　黑洞是宇宙中最神秘的天體(ti) 之一，速度最快的光都無法逃離它超強的引力。正因如此，黑洞也是研究極強引力和極高密度條件下物理規律的宇宙天然實驗室，而搜尋不同質量的黑洞是黑洞天體(ti) 物理研究的關(guan) 鍵。目前，科學家開展了“黑洞獵手計劃”，以郭守敬望遠鏡等獲得的大規模光譜巡天數據為(wei) 基礎，搜尋一大批“深藏不露”的寧靜黑洞。

　　小質量黑洞缺失意味著什麽(me)

　　黑洞是宇宙中最神秘的天體(ti) 之一。它本身不發光，看不見摸不著，具有超強的引力，任何從(cong) 其身邊經過的物質，包括速度最快的光都無法逃離。如果把太陽壓縮為(wei) 半徑3公裏的球體(ti) ——對於(yu) 人而言，3公裏大約需要步行40分鍾——太陽壓縮後的密度相當於(yu) 黑洞的密度。可以說，黑洞是研究極強引力和極高密度條件下物理規律的宇宙天然實驗室。

　　天文學家按照質量將黑洞分為(wei) 三類：位於(yu) 大型星係中心、如饕餮巨獸(shou) 般吸積周圍物質的超大質量黑洞（百萬(wan) 倍太陽質量以上），大質量恒星死亡坍縮產(chan) 生的恒星級黑洞（100倍太陽質量以下），以及數量極為(wei) 稀有、被稱為(wei) 前麵二者之間橋梁的中等質量黑洞。

　　過去60多年來，人們(men) 對銀河係中恒星級黑洞的研究取得了長足進展，發現了一批孤立和雙星係統中的黑洞候選體(ti) ，對其位置、運動、輻射、時變、光變等特征進行了詳細的觀測，從(cong) 而對它們(men) 的結構、形成和輻射性質有了比較深刻的理解。但仍有一些關(guan) 鍵性的基本問題尚待解答，比較有代表性的是黑洞的質量分布問題。

　　在現有超新星爆炸理論模型下，給定銀河係恒星的初始質量函數，人們(men) 預測銀河係中應該有數千萬(wan) 顆恒星級黑洞，黑洞的質量連續分布於(yu) 3倍太陽質量到20倍太陽質量之間，並且質量越小，黑洞的數量越多。然而，到目前為(wei) 止，人們(men) 在銀河係中隻證認了約20顆恒星級黑洞，這些黑洞的質量分布和理論上的連續分布非常不同，表現為(wei) 沒有低於(yu) 5倍太陽質量的黑洞，也就是小質量黑洞缺失問題。

　　究其原因，可能是現有的超新星爆炸理論不完善，需要進行修改，也可能是目前證實的黑洞數目太少，統計樣本不完備。由於(yu) 在理論上研究超新星爆發過程還存在諸多不確定因素，很難給出決(jue) 定性的判斷依據，因而在銀河係中搜尋恒星級黑洞等致密天體(ti) 並建立大規模樣本，研究其空間和動力學質量分布成為(wei) 解決(jue) 上述問題的關(guan) 鍵，也是最為(wei) 可行的技術手段。

　　怎麽(me) 搜尋恒星級黑洞

　　到目前為(wei) 止，天文學家搜尋恒星級黑洞主要依靠以下五種方法：

　　第一種方法是引力波。廣義(yi) 相對論預言，雙致密天體(ti) 係統並合會(hui) 釋放引力波。可以通過引力波實驗聆聽“時空震顫的漣漪”，推知雙黑洞並合事件，並得到並合前兩(liang) 顆恒星級黑洞的質量。2015年9月14日，美國激光幹涉引力波天文台發現了第一起雙黑洞並合事件(GW150914)，由兩(liang) 顆分別為(wei) 36倍和29倍太陽質量的黑洞，並合為(wei) 62倍太陽質量的黑洞，其中約3倍太陽質量以引力波的形式釋放出去。目前，美國激光幹涉引力波天文台和歐洲室女座幹涉儀(yi) 已經探測到了約百起雙黑洞並合事件。

　　第二種方法是X射線。如果黑洞與(yu) 一顆正常恒星組成一個(ge) 密近雙星係統，黑洞就會(hui) 露出猙獰的“爪牙”，以強大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體(ti) 物質吸過來，形成吸積盤，發出明亮的X射線。該方法以X射線為(wei) 探針，進一步通過監測伴星的運動，測量黑洞質量並確認其存在。20世紀60年代，第一個(ge) 恒星級黑洞候選體(ti) 天鵝座X-1因其X射線輻射被發現。

　　第三種方法是視向速度。在黑洞雙星係統中，能夠發出X射線輻射的隻占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時，將不會(hui) 發生吸積，也不會(hui) 產(chan) 生X射線。此時，可以通過大規模監測恒星運動，來尋找雙星中不可見的天體(ti) 。想象你與(yu) 一個(ge) 隱身人在冰麵上手拉手旋轉，我們(men) 雖然無法看到隱身人，卻可以通過你的運動來推知隱身人的存在。2014年，MWC 656是第一例通過視向速度方法發現的黑洞。

　　第四種方法是微引力透鏡。假想有一個(ge) 前景天體(ti) ，當其經過一個(ge) 背景恒星前麵時，背景恒星發出的光，會(hui) 有一部分被前景天體(ti) 偏折，然後被我們(men) 觀測到。我們(men) 會(hui) 發現兩(liang) 個(ge) 現象：一是出現了一個(ge) 環或者兩(liang) 個(ge) 像；二是背景恒星突然變亮了。這就是引力透鏡現象。如果隻能觀測到第二個(ge) 現象，則稱為(wei) 微引力透鏡。從(cong) 本世紀初開始，已經通過該方法發現了多例黑洞候選體(ti) ，但直到2022年，才比較確切地證認了第一例黑洞MOA-2011-BLG-191。

　　第五種方法是天體(ti) 測量方法。對於(yu) 雙星來說，它們(men) 繞雙星質心轉動，不但會(hui) 產(chan) 生視向速度周期性變化，其在天球上的位置也會(hui) 發生周期性變化。雖然雙星運動造成的天體(ti) 在天球上的位置變化非常微小，但歐洲蓋亞(ya) 探測器在最好的情況下可以達到數十個(ge) 微角秒的天測精度，可以探測到伴星除自行和視差外、由致密天體(ti) 吸引造成的位置變化。2022年，已經有數例天體(ti) 測量方法與(yu) 視向速度方法結合發現的黑洞得到了證認，如Gaia BH1。

　　這幾種方法有各自的適用範圍：引力波方法適用於(yu) 雙致密星係統；X射線方法適用於(yu) 雙星距離較近且存在吸積（強X射線輻射）的情況；視向速度方法適用於(yu) 雙星距離較遠且無吸積（無/弱X射線輻射）的情況；引力透鏡適用於(yu) 發現孤立黑洞；天體(ti) 測量方法在發現距離遙遠且軌道周期很長的雙星係統方麵具有獨特優(you) 勢。

　　如何找出更多“深藏不露”的黑洞

　　天文學是一門觀測驅動的學科，其發展與(yu) 望遠鏡的性能息息相關(guan) ，而一項新技術的發展也會(hui) 催生新的黑洞搜尋方法。

　　以視向速度方法為(wei) 例，1783年，英國物理學家約翰·米歇爾就曾提出，可以通過觀測周圍天體(ti) 的運動來尋找看不見的天體(ti) 。20世紀60年代，天文學家已經調集大量觀測資源，試圖利用徑向速度監測的方法尋找黑洞，但是由於(yu) 設備靈敏度、數據質量等問題，最後無功而返。直到我國的“大天區麵積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，即郭守敬望遠鏡（LAMOST）的建成，才使得利用視向速度方法大規模搜尋黑洞成為(wei) 可能。

　　LAMOST是我國自主研製、全世界光譜獲取率最高的光譜望遠鏡之一。它擁有4000顆眼睛（光纖），因此每次能觀測近4000個(ge) 天體(ti) 。2023年3月30日，中國科學院國家天文台對國內(nei) 天文學家和國際合作者發布了LAMOST DR10數據集。該數據集包含光譜總數超過兩(liang) 千萬(wan) 條，約是目前國際上其他巡天望遠鏡發布光譜數之和的3倍。LAMOST成為(wei) 世界上首個(ge) 發布光譜數突破兩(liang) 千萬(wan) 的巡天項目，為(wei) 天文學家搜尋特殊天體(ti) 、探索銀河係形成與(yu) 演化等提供了最有力的數據支持。

　　從(cong) 2016年秋季開始，以國家天文台為(wei) 首的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，對一個(ge) 小天區內(nei) 3000多顆恒星進行了曆時兩(liang) 年之久的監測。其中，一顆在反銀心方向的B型星表現出了奇特的光譜特征：具有明顯周期性運動的恒星吸收線（來自B型星）和具有小振幅反相位運動的寬Hα發射線（來自某不可見天體(ti) ）。研究人員通過擬合視向速度曲線得出了黑洞與(yu) B型星的質量比，然後估算了可見星的質量，最終證實該雙星係統中存在一個(ge) 質量約為(wei) 70倍太陽質量的黑洞LB-1，後續研究表明該黑洞質量更可能在20～50倍太陽質量之間。

　　LB-1的發現充分證實了LAMOST強大的光譜獲取能力。LAMOST對LB-1進行了26次觀測，曆時兩(liang) 年，累計曝光時間約40小時。LAMOST監測的天區共包含約3000個(ge) 恒星，因此LB-1的發現率約1/3000。這說明如果利用一架普通4米口徑望遠鏡專(zhuan) 門來尋找這樣一顆黑洞，每天觀測8小時，一年365天進行連續觀測，同樣的概率下，則需要40年的時間，這充分體(ti) 現出LAMOST超高的觀測效率。

　　以此為(wei) 契機，中國科學院國家天文台聯合廈門大學、南京大學、武漢大學、上海天文台等研究團組，成立了“黑洞小分隊”，通過“超團組”的合作方式，優(you) 勢互補，資源共享，開展了“黑洞獵手計劃”：以LAMOST等獲得的大規模光譜巡天數據為(wei) 基礎，通過視向速度方法發現一大批“深藏不露”的寧靜黑洞。

　　未來有哪些進展值得期待

　　利用視向速度監測的方法，國內(nei) 外的研究團組已經發現了多例黑洞及候選體(ti) 。

　　2019年，由美國天體(ti) 物理研究協會(hui) 主導運行的斯隆數字巡天項目中的近紅外高分辨率光譜巡天項目（APOGEE），覆蓋了銀河係約10萬(wan) 顆紅巨星。基於(yu) 其視向速度觀測和ASAS-SN的光變數據，科學家發現2MASS J05215658+4359220是一個(ge) 雙星係統，除了一顆明亮、快速旋轉的巨星外，還有一個(ge) 3.3倍太陽質量（2.6至6.1倍太陽質量）的不可見天體(ti) 。它有可能是一個(ge) 大質量的中子星，也可能是目前最小的恒星級黑洞。

　　廈門大學天文學係利用LAMOST釋放的恒星光譜數據, 對銀河係中恒星級黑洞的搜尋與(yu) 證認開展了一係列工作，包括：提出了利用LAMOST光譜尋找恒星級黑洞候選體(ti) 的一種新方法；結合LAMOST光譜和全天超新星自動巡天係統（ASAS-SN）望遠鏡的測光觀測來尋找恒星級黑洞候選體(ti) ；估算了利用LAMOST光譜能搜尋到的恒星級黑洞的數目。2022年，該團隊基於(yu) LAMOST數據，發現了一類無吸積信號、無脈衝(chong) 信號的寧靜態新中子星星族。

　　到目前為(wei) 止，視向速度方法已經發現了十餘(yu) 例黑洞候選體(ti) ，包括MWC656、LB-1、HR6819等。但許多候選體(ti) 仍有較大爭(zheng) 議，比如部分源可能是由快速轉動的主序星與(yu) 轉速較慢的殼層被剝離的巨星組成，而並非黑洞雙星。總之，致密雙星的證實依賴多波段（X射線、紫外、射電等）信息，需要綜合多手段（譜能量分布擬合、光變曲線擬合、高分辨率光譜分解、元素豐(feng) 度測量等）進行分析。

　　除視向速度方法以外，其他方法在不久的將來都會(hui) 在致密天體(ti) 搜尋方麵大有作為(wei) ：激光幹涉引力波天文台（LIGO）、引力波探測器(Virgo)和日本大型低溫引力波望遠鏡（KAGRA）的第四輪觀測將在2023年5月開始，預計一大批雙致密星係統將會(hui) 被發現。

　　德國和俄羅斯發射的eROSITA衛星已經進行了全天X射線觀測，未來幾年數據將逐步釋放；2023年我國將發射愛因斯坦探針（EP衛星），預計一批包含恒星級黑洞的X射線源將會(hui) 被發現。

　　中國空間站工程巡天望遠鏡（CSST）將在未來幾年發射升空。其中一項科學目標是對銀河係核球進行微引力透鏡巡天，可能發現一批致密天體(ti) 。

　　歐洲蓋亞(ya) 探測器也將在未來幾年全麵釋放天體(ti) 測量數據，大批長/短周期黑洞候選體(ti) 可能會(hui) 被發現。

　　未來，利用上述的各種方法以及不斷開發的新方法，天文學家有望批量發現銀河係的恒星級黑洞，並對它們(men) 進行充分測量，構建具有統計顯著性的黑洞質量分布，解答大質量恒星演化、黑洞形成的一係列基本問題。