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Sandbox Physics
引力留下的痕迹

天文 · 宇宙学 · 引力

一颗恒星的光替孤立黑洞称重

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没有看得见的伴星绕行,怎样称出一个暗天体的质量?

  1. 跟踪恒星变亮
  2. 测量光心偏移
  3. 加入周年微透镜视差
  4. 推算暗透镜的质量
地面望远镜记录亮度,哈勃追踪两个无法分开的像合起来的光。

一颗变亮的星,指向暗处的质量

2011 年,MOA 和 OGLE 两个巡天项目发现,银河核球方向有颗恒星持续变亮,一亮就是好几个月。一个看不见的天体经过它前方附近,把星光弯向地球,充当了一枚引力透镜。多年追踪后,研究者称出了这个暗天体:约七个太阳那么重,却没有探测到它发出的光,支持它是一个孤立的恒星级黑洞。

这个事件有两个名字:OGLE-2011-BLG-0462 和 MOA-2011-BLG-191。透镜移过一个特征角半径,大约用了 270 天;这个尺度叫爱因斯坦半径。点状光源与透镜完全对齐时,会形成一个圆环,这就是圆环在天空上的半径。事件持续得久,值得继续盯着看,却还不能单凭时长称重。透镜质量、双方距离和相对运动速度,都会影响增亮能持续多久。

来源:[1][2]

哈勃盯住的是一个光点

点质量透镜会把背景恒星变成两个像。这次事件里,两像靠得太近,哈勃也分不开。它量的是两个像合起来的光的中心,哪边更亮,中心就更偏向哪边。随着透镜移动,这个光心会微微偏离恒星原本应走的路线。

位移的大小和变化过程,约束了爱因斯坦角半径。还需要另一项信息:地球每年绕太阳运行,我们的观察位置改变,恒星的亮度变化也会受到细微影响,这叫微透镜视差。角半径与视差合起来,才能给出透镜质量;再知道背景恒星的距离,就能求出透镜有多远。亮度与位置,各自补上了几何关系中的一块。

来源:[1][2]

旁边一颗亮星,让最初的答案分了岔

2022 年,Kailash Sahu 团队结合哈勃六年间八个观测时段的位置,以及地面望远镜的亮度记录,得到 7.1 个太阳质量,不确定度为 1.3;距离为 1.58 千秒差距,不确定度为 0.18。Casey Lam 等人独立分析同一事件,得到 1.6 到 4.4 个太阳质量,仍容许中子星或黑洞两种解释。Mróz、Udalski 和 Gould 检查系统误差后,得到较高的 7.88 个太阳质量,不确定度为 0.82。

难点就在目标旁边:隔着 0.4 角秒有颗亮星,它的光斑边缘会混入目标,偏移那一点点需要精量的位置。Lam 和 Jessica Lu 用更新的软件重新处理图像,也采用重新处理的亮度数据。2023 年的分析把质量改为 6.0 个太阳质量,上、下不确定度分别为 1.2 和 1.0。最初偏低的结果,在 2025 年的分析发表前就已经修订。

来源:[1][3][4][5]

十一年的位置记录,进一步支持黑洞解释

Sahu 团队又加入哈勃三个观测时段,把记录延长到十一年。2025 年的分析逐幅扣除邻近亮星的干扰,得到 7.15 个太阳质量,不确定度为 0.83;距离为 1.52 千秒差距,不确定度为 0.15,约合五千光年。

这么大的质量,加上没有探测到透镜自身的光,支持它是黑洞。研究者还在观测能够检验的间距范围内寻找伴星,没有找到。这次称重,要让亮度与位置两套记录彼此吻合,还得处理好邻星污染。没有绕行的伴星提供尺和钟,背景恒星被弯折的光,仍留下了角度尺度和运动的记录。

来源:[2][5]

来源与阅读说明

质量数字分别对应 2022、2023 和 2025 年发表的分析。哈勃测量的是合起来的光的位置,没有分开拍到两个像。

  1. Sahu et al. (2022), An Isolated Stellar-Mass Black Hole Detected Through Astrometric Microlensing, ApJ 933, 83

    哈勃六年八个时段的位置与地面测光,给出 7.1 个太阳质量、不确定度 1.3;距离 1.58 千秒差距、不确定度 0.18。未探测到透镜发出的光。

  2. Sahu et al. (2025), OGLE-2011-BLG-0462: An Isolated Stellar-Mass Black Hole Confirmed Using New HST Astrometry and Updated Photometry, ApJ 983, 104

    新增哈勃三个观测时段,把记录延长到十一年;联合拟合得到 7.15 个太阳质量、不确定度 0.83,距离 1.52 千秒差距、不确定度 0.15。阅读亮邻星扣除方法与有范围限制的伴星搜索。

  3. Lam et al. (2022), An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing

    对同一事件的独立分析,最初得到 1.6 到 4.4 个太阳质量,认为它多半是中子星或轻的黑洞。

  4. Mróz, Udalski and Gould (2022), Systematic Errors as a Source of Mass Discrepancy in Black Hole Microlensing Event OGLE-2011-BLG-0462

    重审测光与天体测量的系统误差,估计为 7.88 个太阳质量、不确定度 0.82;距离 1.49 千秒差距、不确定度 0.12。

  5. Lam & Lu (2023), A re-analysis of the isolated black hole candidate OGLE-2011-BLG-0462/MOA-2011-BLG-191

    重新处理哈勃位置与 OGLE 测光,把此前偏低的估计改为 6.0 个太阳质量,上、下不确定度为 1.2 和 1.0;亮邻星会造成位置偏差。

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