去年（2022）年末，天文學家用蓋亞衛星（Gaia Satellite）發現了離地球最近的黑洞：Gaia BH1。如今，同一組天文學家再次以相似的手法，發現了另一顆離地球僅有 3,300 光年的沉默黑洞，並將其命名為……
Gaia BH2
恩，非常天文學家風格的命名方式呢 XD
尋找黑洞的方法
要找到正在進食的黑洞很簡單，因為它們在 X 射線和無線電波段往往相當明亮。但要找到沉默的、沒有在進食的黑洞，往往就只能靠它的重力對周圍的天體產生的影響。其中，由一顆恆星、一顆黑洞互繞所組成的雙星系統，是最容易下手的目標。
尋找恆星－黑洞雙星的方法有二：
- 第一招，也就是蓋亞衛星擅長的方法，是觀察恆星在天空中位置的變化。如果發現恆星移動的軌跡並非直線，而是出現週期性的擺盪，那很可能就是由黑洞伴星的重力影響所造成。
- 第二招，是藉由光譜觀測恆星的徑向速度變化。當恆星受到黑洞重力拉扯而搖擺時，恆星與我們的徑向速度也會有所變化，讓恆星光譜中的譜線因為都卜勒效應出現週期性的移動。
結合這兩種方法，就可以相當嚴謹的確認黑洞的存在。
觀測過程
在這次的觀測中，天文學家使用的方法與觀測 Gaia BH1 如出一轍。首先，他們從蓋亞衛星的資料庫中，尋找和挑選出一顆形跡可疑，名為「Gaia DR3 5870569352746779008」的紅巨星。找到可能的黑洞候選者後，團隊開始盡可能收集關於這個系統的資訊，包括：
- 申請使用 NASA 的 Swift 太空望遠鏡進行紫外線波段的觀測。
- 申請使用 ESO/MPG 2.2 米望遠鏡與 VLT 望遠鏡，在半年內進行總數 30 次的光譜觀測。
- 申請使用錢卓太空望遠鏡（Chandra）進行 X 射線觀測。
- 申請使用 MeerKAT 電波望遠鏡進行無線電觀測。
- 調閱 TESS 衛星的可見光光變曲線資料。
綜合這些寶貴資料，團隊計算出 Gaia BH2 是由一顆約 8.9 太陽質量的黑洞，以及一顆跟太陽差不多重的紅巨星所組成，兩者互繞的周期約為 1,277 天（3.5 年）。由於各波段的觀測資料十分齊全，基本上否決了所有不包含黑洞的可能解釋，因此該系統真的存在黑洞的可信度相當高。
找到黑洞了，然後呢？
天文學家之所以搜尋黑洞，除了對這個天體本身的好奇之外，更重要的是可以藉由尋找這些奇特的天體們，檢驗我們對這個世界的認識是否正確。而與這類恆星－黑洞雙星最相關的，就是關於雙星演化的理論。
許多恆星都不是單獨存在的，天文學家估計大概有三分之一左右的恆星是處在雙星或三星系統中。對於雙星、乃至三顆恆星共同組成的系統，其演化非常複雜。因為這些系統在演化的過程中，可能會以潮汐力、恆星風、超新星、共有包層（Common Envelope）等方式交互影響。而恆星－黑洞雙星系統，正可以作為研究雙星演化的良好媒介。
一顆 9 倍太陽質量的黑洞，其前身應當是一個超過 25 太陽質量的巨大恆星。但若是如此，當這顆大恆星演化到晚期形成紅超巨星時，應當會形成「共有包層」，並讓兩個恆星的距離快速接近到比觀測結果更近 50 倍以上。如此，Gaia BH2 就對傳統的雙星演化理論構成挑戰，讓天文學家必須重新思考其它可能性，從而使我們對雙星演化的認識更加深入。
延伸閱讀
作者：林彥興（清大天文所碩士生、EASY 天文地科團隊主編、全國大學天文社聯盟監事）