狩獵隱身巨獸：天文學家發現沉默的恆星質量黑洞？

• 文／林彥興：EASY 天文地科團隊總編輯，現就讀清大理學院學士班

說到黑洞，多數人對它的印象總是黑暗、神秘而難以捉摸。但去年（2020）五月，歐洲南方天文台（ESO）的團隊發表論文，宣稱他們在距離地球僅 1000 光年的 HR 6819 恆星系統中，發現了一個沉默的黑洞，同時刷新了已知離地球最近黑洞的紀錄。

如何捕捉看不到的巨獸？

可是，黑洞體積又小、又不發光，這樣的天體到底要怎麼觀測得到呢？確實，想要直接看到一個不會發光的天體幾乎是不可能的任務。不過，天文學家可以從黑洞對周圍造成的影響來間接地尋找與分析它們。

舉例來說，當有物質被吸入黑洞時，會在黑洞周圍堆積成「吸積盤（Accretion Disk）」繞行黑洞。在吸積盤上，這些物質會在環繞的同時緩緩地向黑洞落去，將損失的重力位能以摩擦、碰撞、磁場等各種方式轉變成各種波段的電磁波、宇宙射線散發出去。此外，黑洞還可能藉由磁場或一種稱為「潘羅斯過程（Penrose Process）」的機制，將物質以接近光速的高速向黑洞的兩極噴出，產生「相對論性噴流（Relativistic Jets）」，並以同步輻射發射出無線電波。黑洞本身雖然不發光，但它與周圍物質交互作用時，卻能夠發出橫跨各種波段的強烈的光線。

但如果黑洞沒有在吸入物質，那黑洞就真的不會發出什麼光線了。這時候，天文學家往往只能靠著黑洞的重力對周圍星體造成的影響來尋找它們。最著名的例子當數根策爾（Genzel）與蓋茲（Ghez）兩組團隊，從 1990 年代開始利用甚大望遠鏡與凱克天文台進行觀測，發現銀河系中心恆星繞行著一個望遠鏡看不見、直徑不到 125 天文單位，但是卻擁有約四百萬太陽質量的星體運動，成為黑洞存在的一大重要證據，因此獲得 2020 年諾貝爾物理獎的殊榮。

這次用於發現 HR 6819 系統中黑洞的方法，與上述發現銀河系中心超大質量黑洞的方法原理類似，但是在細節上有諸多不同。

鎖定目標：HR 6819！

HR 6819 是一顆位於望遠鏡座（沒錯，真的有這種奇葩星座）的變星（編按：即從地球上觀察，其亮度（視星等）有起伏變化的恆星），視星等在 5.32 到 5.39 之間變動。這個亮度約與天王星最亮時相當，可以在沒有光害的地區用肉眼直接看到。只可惜它的位置相當接近天球南極（赤緯約為 -56 度），因此它不僅出現在地平面以上的時間少，即使出現了仰角也總是低於十度，在台灣相當難以觀測。不過要是有機會到南半球旅遊，就可以試試尋找它的身影。

乍看之下，HR 6819 只是一顆普通的明亮恆星。但魔鬼總是藏在細節中，天文學家在仔細分析了 HR 6819 的光譜之後，發現這個它的光譜中居然有兩組各自獨立的吸收譜線。這代表，HR 6819 應該是一顆雙星──也就是由兩顆恆星互相繞行組成的系統。而我們之所以只看到一個光點，是因為組成 HR 6819 的兩顆恆星距離實在太近了，沒有任何的望遠鏡可以將兩顆星解析開來。這樣的天體，被稱為「光譜雙星（spectroscopic binary stars）」。

而當雙星中的兩顆恆星互相繞行時，他們的軌道速度就會使兩組光譜各自發生都卜勒頻移。藉由觀測兩組光譜如何移動，天文學家就能夠反推出兩顆恆星的運動速度、公轉週期、兩顆恆星各自的質量[1]等資訊。

結果，當天文學家們仔細一看 HR 6819 的光譜，卻發現事有蹊俏：如果它真的是一顆雙星，那兩組吸收譜線的的移動方向應該要是相反的（正如上方的影片所展示的，當一顆恆星在接近地球的時候，另一顆必然在遠離）。但他們看到的卻是一顆恆星的譜線以大約 40 天的週期變化，但另一顆恆星的譜線卻幾乎沒有任何移動。這是怎麼一回事呢？

他們提出的解釋是：HR 6819 並不是一個雙星，而是一個階層式的三星系統（hierarchical triple）！

三星系統的中心，是由一顆恆星與一顆黑洞組成，週期約 40 天的雙星系統。而在更遠處，還有另一個恆星環繞著這個雙星運行，因此被稱為「階層式」的三星。看起來沒有變化的那組譜線，來自系統中最外側、軌道週期最長的那顆恆星。因為它的軌道週期長、移動速度慢，所以在觀測的時間中幾乎沒有任何速度變化；而三星系統的中心，與黑洞互相繞行的那顆恆星，則產生了那組變化週期 40 天的譜線。如此一來，不僅漂亮的解釋了奇怪譜線的謎團，更令人興奮的是，這將會是史上觀測到離地球最近的黑洞！

對這篇論文的質疑

然而，事情並沒有這麼簡單。

這篇由歐南天文台的天文學家 Th. Rivinius 為首的團隊所撰寫的論文（簡稱 Rivinius et al. (2020)）自 2020 年五月刊登在天文與天體物理學報（A&A）上短短半年多的時間裡，就有五篇正式發表在一流天文物理期刊（ApJ、MNRAS、A&A等）的論文反駁 Rivinius et al. (2020) 的說法。有些人重新分析 HR 6819 的光譜資料，認為看似沒有發生都卜勒效應的那組譜線實際上是有移動的，因此 HR 6819 應該只是個普通的光譜雙星 [2] ；有些人藉由理論模擬，發現考慮恆星演化的過程，要出現像是 HR 6819 這樣包含黑洞的系統是相當困難的 [3] 。

HR 6819 真的是一個包含黑洞的三星系統嗎？現在看來，有可能不是。但在追尋答案的過程中，天文學家們也更仔細而深入的探討了我們對雙星、恆星與黑洞演化的理解，完善了各種分析與模擬的工具，並對未來類似資料的分析提供了重要的範例。科學正是在這樣的過程中，不斷演進。

註解

[1] 嚴格的說，一般情況下單憑軌道週期的分析只能得到整個系統的質量函數，詳情參閱 Binary mass function。

[2] Is HR 6819 a triple system containing a black hole?. An alternative explanation

[3] The Nearest Discovered Black Hole Is Likely Not in a Triple Configuration

延伸閱讀與參考資料

1. ESO Instrument Finds Closest Black Hole to Earth | ESO
2. A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary
3. 邵思齊。〈在事件視界望遠鏡前， 人們怎麼觀測黑洞？〉。科學月刊。https://www.scimonth.com.tw/tw/article/show.aspx?num=2476
4. 歐柏昇、蔡松翰、陳科榮。〈2020諾貝爾獎——黑洞存在嗎？〉。https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=5&index_id=622&fbclid=IwAR2_NipRGChtiECq4CbKjhxclsxNyAg-lUPq4cgG9RTlMNedfUxd2iR2D5o
5. AAS NOVA: “Casting Doubt on a Nearby Black Hole”