离地球最近的这个黑洞有多近？

欧洲航天局的盖亚使命刚刚以1000多光年打破了最近黑洞的记录。在那里甚至有一个更近的吗？

STARTS WITH A BANG — NOVEMBER 7, 2022

Ethan Siegel

这个银河系的部分视图展示三个缩放级别。在左边显示了被称为盖亚DR3 4373465352415301632的单个恒星系统，它包含一个约10个太阳质量的双伴和一个轨道周期为185.6天（中心）的。在右边还展示了一个由于黑洞的透镜这颗恒星可能怎样出现的描画。(Credit: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO))

关键要点

自从第一个黑洞x射线双天鹅座X-1被发现以来科学家们已经好奇了这个离我们最近的黑洞到我们刚好有多近。

用诸如x射线双测量和引力波观测等技术，我们已经发现了许多候选并肯定了黑洞，但所有黑洞都在数千（或更多）光年之外。

利用一种新颖的技术和数据集来发现分开的黑洞-恒星双，一个新的记录保持者盖亚BH1刚好在1560光年外。它保持着当前的记录；很可能不会太长。

一颗非常大质量恒星整个它的生命的解剖，当核耗尽核燃料时以一个II型超新星终结着。核聚变的最后阶段通常是燃烧硅，在超新星跟着出现之前短暂一会儿在核中产生铁和铁一样元素。如果这颗恒星的核质量足够大，当核坍塌时它将产生一个黑洞。(Credit: Nicolle Rager Fuller/NSF)

中子星和黑洞从核坍塌超新星形成。

来自哈勃的可见/近红外照片显示一颗质量大约是太阳的25倍的大质量恒星已经眨眼出了存在，没有超新星或其他解释。直接坍塌是唯一可究因的候选解释，并且是除了超新星或中子星合并外首次来形成一个黑洞的一种已知方式。(Credit: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU))

恒星和气体直接的坍塌形成黑洞。

这段来自一个超级计算机模拟的片段显示两个汇聚的冷气体流之间刚好在100多万年的宇宙演化。在这短暂的时间间隔内，刚好在大爆炸后1亿年多一点，在最密集的区域物质的团块生长来拥有每个包含数万个太阳质量的单个恒星。这可能为宇宙的最早、最大质量的黑洞提供所需的种子，也为星系结构的生长提供最早的种子。(Credit: M.A. Latif et al., Nature, 2022)

最后，中子星的合并也创造黑洞。

当两颗中子星碰撞时，如果它们的总质量足够大它们会不仅造成一个千新星爆炸和普遍存在的重元素的创造，而且将导致从后合并的残骸一个新颖的黑洞的形成。来自合并的引力波和伽马射线似乎以难以区分的速度旅行：所有无质量粒子的速度。(Credit: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

这些黑洞浪荡这个宇宙，吞噬着凡是接触到它们的事件地平线的物质。

2013年9月14日，天文学家捕捉到了来自银河系中心的超大质量黑洞射手座A*探测的最大的x射线耀斑。在x射线中，在这些分辨率上看不到事件地平线；纯粹的盘一样的“光”。然而，我们能肯定只有仍然在事件地平线之外的物质产生光；通过黑洞内部的物质被加到黑洞的质量上，不可避免的向内进入黑洞的中心奇点。(Credit: NASA/CXC/Amherst College/D.Haggard et al.)

向内螺旋的、合并的天体发射引力波，允许在地球上探测到黑洞。

两个合并黑洞附近翘曲的空时的一个数学模拟。彩色的波段是引力波的峰值和波谷，随着波幅增加颜色越来越亮。最强的波携带最大量的能量刚好在合并事件本身之前和期间来到。从向内螺旋的中子星到超质量黑洞，我们期望宇宙来产生的信号频率上应该横跨9个多数量级，并且能达到约10^23个太阳的峰值功率输出。(Credit: SXS Collaboration)

我们还探测到由黑洞吃掉双伴星发射的x射线。

当一颗大质量恒星环绕一个恒星尸体像一个中子星或黑洞时残骸能吸积物质，加热并加速物质，导致x射线的发射。这些x射线双是所有恒星质量的黑洞直到引力波天文学到来之前被发现的，并且仍然是银河系中大多数已知黑洞怎样已经被发现的。(Credit: ESO/L. Calçada/M.Kornmesser)

传统上，这些x射线双已经揭示了最近的黑洞：有几千光年远。

截至2021年11月，通过电磁学上和引力波观测到的所有黑洞和中子星的最新图。虽然这些包括范围从1个太阳质量多一点最轻的中子星的天体到100个太阳质量多一点的后合并的黑洞天体，引力波天文学目前仅对一组非常狭窄天体是敏感的。最近的黑洞都已经被发现为x射线双，直到2022年11月发现盖亚BH1为止。(Credit: LIGO-Virgo-KAGRA / Aaron Geller / Northwestern)

然而，两种另外的方法把持承诺：微透镜效应和有分开轨道的黑洞-恒星双。

如果一个黑洞处在一个与地球碰撞的轨道上，我们不会有任何来自黑洞本身的警告，但它会扭曲和弯曲来自背景天体的光，揭示它的存在。质量弯曲空时的事实，不管它发出什么类型的光，是来发现可能正隐藏在附近宇宙中的黑洞的一个关键。(Credit: the Ohio State University)

每当一个天体介入一个发光天体和我们自己之间微透镜发生。

当一个引力微透镜事件发生时，来自一颗恒星的背景光被扭曲和放大，因为一个中间的质量旅行跨过到这颗恒星的视线或靠近这颗恒星的视线。交织的引力的影响弯曲这个光和我们眼睛之间的空间，创造一个特别的揭示问题中一个介入的天体的质量和速度的信号。所有质量都能够经由引力透镜弯曲光，从低质量行星到大质量黑洞。(Credit: Jan Skowron/Astronomical Observatory, University of Warsaw)

特征的增亮模式揭示闯入者的质量和其它属性。

这里显示相对论被一个前景黑洞的强引力透镜造成的光弯曲效应。这里显示的银河系的背景和一个透镜的恒星。这种方法将揭示在一个与黑洞分开的双轨道中的一颗透镜恒星，以及一个造成了一个微透镜事件的闯入黑洞。(Credit: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO))

与此同时，环绕正常恒星的黑洞将影响恒星的观测到的运动和位置。

通过追踪一颗恒星的随时间变化的红蓝移，一个候选伙伴的质量能被发现。

径向速度法的想法是如果一颗恒星有一个看不见的大质量伙伴，无论是一个系外行星还是一个黑洞，随着时间观察它的运动和位置，如果可能的话，应该揭示这个伙伴及其属性。这仍然是真的，即便没有来自这个伙伴本身发射的可检测到的光。(Credit: E. Pécontal)

观测它随着时间的变化应该匹配这个伙伴候选的预测，确认着它的伙伴。

由LAMOST勘察获得的Gaia-BH1的径向速度和来自用GagE、GMOS、xshort、ESI、FEROS的后续观测和HIRES光谱仪的概述。带有误差棒的点是测量值，当点上拟合这些径向速度谱和盖亚天体测量约束时灰色线被从后部画出。(Credit: El-Badry et al., MNRAS, 2022)

欧洲航天局的盖亚使命利用了这种方法，发现今天的最近的黑洞：盖亚BH1。

刚好在地球1560光年外，这一记录是暂时的。

约10个太阳质量的盖亚BH1有一个约180天的轨道周期并刚好位于1560光年外，现在保持着距离我们太阳系最近黑洞的记录（截至2022年）。(Credit: El-Badry et al., MNRAS, 2022)

即将到来的使命比如南希·罗曼应该揭示甚至更近的黑洞。

这个描画比较被两次勘察覆盖的天空面积的相对大小：以蓝色轮廓的即将到来的南希·罗曼望远镜的高纬度广域勘察以及以红色表示的由哈勃望远镜领导的宇宙演化勘察（COSMOS）的最大马赛克。在目前的计划中，罗曼的勘察将比哈勃望远镜的更宽1000多倍，揭示前所未有的星系怎样跨时间和空间聚集，使在演化的暗能量上最严格约束成为可能并揭示出比以往任何时候都更多的微透镜事件，包括可能的极端近的黑洞。(Credit: NASA/GSFC)

大多寂静的星期一用图像、视觉和不超过200个单词讲述一个天文故事。少说话多微笑。

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