这是迄今为止最小的黑洞，距离我们只有1500光年
在距离地球约1500光年的轨道，一个小型黑洞围绕着一颗红巨星运行；借助黑洞的引力，天文学家发现了这个看不见的天体。绘制：LAUREN FANFER AND OHIO STATE UNIVERSITY.
撰文：DAN FALK
最小的黑洞有多大？几十年来，天文学家一直试图通过统计我们这个宇宙角落的黑洞，来回答这个问题。
他们发现了很多大型和中型黑洞，包括银河系中央的巨型黑洞，但从未发现过小型黑洞的迹象，这也是天体物理学领域一直以来的未解之谜。
最近，天文学家发现了迄今为止最小的黑洞：质量只有太阳3倍，距离地球1500光年，因此它也是离我们最近的黑洞。
这一发现“意味着，只要扩大搜寻空间，我们就可能发现更多的（小型黑洞），”俄亥俄州立大学的天文学家Tharindu Jayasinghe说。这一发现发表于《皇家天文学会月刊》上，Jayasinghe是首席著者。这次发现“将推动科学家去寻找这些天体系统。”
Jayasinghe和同事把这个黑洞命名为“独角兽”，原因是它是目前发现的黑洞中独一无二的存在，且在麒麟座（独角兽座）内被发现。通过研究独角兽和其他类似的天体，研究人员希望更好地了解恒星在生命的最后时刻会发生什么，为什么有些恒星塌缩成黑洞，另一些则变成了致密的外壳中子星。
搜寻不可见的黑洞
在黑洞的引力之下，光也无法逃脱，因此它们只能以间接的方式被探测到。这个不可见的天体会吸积伴星的物质，并释放出x射线，大多数已知的黑洞就是在搜寻这种x射线的过程中被发现的。黑洞周围有一圈致密的环，即“吸积盘”，物质在吸积盘中升温，x射线望远镜可以探测到它们发出的辐射。
然而独角兽是用另一种方法发现的。Jayasinghe的团队利用多个观测站的数据，测量了红巨星V723 Mon的亮度和光谱的周期性变化。几十年来，天文学家一直在用这类观测寻找系外行星，这些天体也很难直接发现。
研究团队推测，有一个看不见的有伴生关系的天体在拖拽着红巨星，将之扭曲成了水滴的形状。这些数据给出了两个天体的质量总和，如果这颗恒星比研究团队估计的更重，那么这个看不见的天体可能是一颗中子星。但团队认为，它最有可能是一个小型黑洞。
虽然独角兽正在改变红巨星的形状，但它没有从这颗伴星吸积物质。这意味着没有吸积盘，也没有x射线，这也就是为什么它直到现在才被发现。这种“安静的”黑洞没有释放x射线，这或许解释了为什么科学家很少发现这样的小型黑洞。
质量5倍于太阳的黑洞很多，但低于这个数字的就很少了。缺少小型黑洞的现象令人困惑，天文学家称之为“质量间隙”。
填补质量间隙
在发现独角兽之前，关于黑洞质量间隙，科学家提出了好几种解释。2019年，同一个团队宣布发现了围绕巨星运行的暗物体，然而他们对这个天体质量的估计不太精确，只能判断出，这不是黑洞，就是“一颗质量大到出乎意料的中子星”。
去年，另一组天文学家发现了他们认为是距离地球约1100光年的三星系统，其中有一个4倍太阳质量的黑洞，围绕两颗恒星运行。如果这个系统中真的存在黑洞，那么它将是已知距离地球最近的黑洞，但另一项研究对他们的发现提出了质疑。
激光干涉引力波观测台等引力波探测器也带来了可喜的结果。2019年，天文学家观测到引力波源GW190814，这是两个天体碰撞后产生的。一个只有2.6倍太阳质量，这意味着它或者是一颗非常重的中子星，或者是已知最轻的黑洞。此外，在2017年观测到的引力波事件中，两颗中子星融合后，诞生了一个约2.8倍太阳质量的黑洞。
可惜的是，对于通过引力波探测到的天体，天文学家很难进行长期研究。它们往往在银河系以外，这意味着天文学家只有在引力波爆发的短暂瞬间，才能了解到它们。然后，它们就从人们的视野里永远地消失了。
另一方面，独角兽就在我们的星系里，在之后的几年时间里，科学家可以展开研究。“事实上，这颗伴星是红巨星，而且距离很近，因此观测结果更加准确、可靠，”西北大学的天文学家Vicky Kalogera说。她没有参与此次研究。
时空坍塌
天文学家希望通过研究独角兽和其他类似的天体，更好地了解黑洞和中子星形成的物理原理。这两种天体都形成于恒星的生命结束之时，核燃料耗尽的那一刻。但它们会踏上哪一条路则取决于恒星的质量。
如果恒星比太阳略大一点，它会经历超新星爆炸；剩余部分在重力的压缩下，形成中子星。这种天体密度高，物质像原子核一样，被紧紧地挤在一起。
如果天体重得多，那么它将在重力的作用下进一步坍缩，形成黑洞。尽管这颗恒星可以已经存在了1000万年，但最终的结局往往在瞬间决定。
“1到5秒之内，恒星的命运就已决定：是超新星爆炸，产生中子星，还是坍缩形成黑洞，”俄亥俄州立大学的天文学家、独角兽黑洞论文的合著者Todd Thompson说：“可能还有一种中间情况，发生了一点爆炸，但仍有物质回落，形成黑洞。所有这一切都发生在很短的时间内。”
摆在研究人员面前的一个难题是，无法直接研究相关的物理特性。“我们仍未完全理解物质在核密度下的情况，”Kalogera说：“这是天文学遇到的挑战：我们无法在实验室里模拟这些密度。”
像独角兽这样的小型黑洞，或将帮助科学家解开这个宇宙谜题。
欧洲航天局的盖亚探测器将带来更多数据，描绘更清晰的图像。盖亚探测器的目的是精确绘制天空中恒星的位置，也许能为我们带来更多小型黑洞拖拽伴星的情形。
天文学家也急切地等待着斯隆数字化巡天计划发布的下一个数据，该计划利用新墨西哥州的望远镜，对几百万个天体进行详细观测，从而发现恒星对看不见的伴星作出反应时的运动情况。目前智利正在建设的薇拉·鲁宾天文台也可能会发现小型黑洞。
有了更多的数据，天文学家想知道，小型黑洞的缺失是否能为恒星物理学带来新的研究方向，又或者小型黑洞其实遍布整个星系，到目前为止没有被统计，只是因为我们刚刚找到了寻找它们的方法。
（译者：Sky4）
