对于寻找黑洞的天文学家来说，现在是繁荣时期。最大的黑洞——质量可达数十亿个太阳的超大质量黑洞——已在几乎每个星系的中心被发现，我们甚至设法拍摄到了其中一个的图像。与此同时，研究人员现在经常探测到来自较小合并黑洞的引力波在宇宙中传播。在离我们更近的地方，我们已经目睹了银河系自身的超大质量黑洞及其较小的同类吞噬气体云甚至整个恒星时产生的壮观天体烟火。然而，我们以前从未见过一种长期预测的现象：一个孤立的黑洞在太空中漫无目的地漂流，它诞生于一颗巨大恒星坍塌的核心并被抛射出来。
直到现在。
科学家们宣布首次明确发现了一个自由漂浮的黑洞，一个在距离地球约 5,000 光年的虚空中游荡的流浪者。这项结果于1 月 31 日出现在 arXiv 预印本服务器上，但尚未经过同行评审，代表了十多年热切搜索的顶峰。“这太令人兴奋了，”德国欧洲南方天文台的玛丽娜·雷克巴说，她是该论文的合著者。“我们实际上可以证明孤立的黑洞是存在的。”这项发现可能只是一个开始；正在进行的观测和即将到来的任务预计将发现数十个甚至数百个更多的黑暗、孤独的旅行者。“这只是冰山一角，”哈佛-史密森天体物理学中心的卡里姆·埃尔-巴德里说，他没有参与这篇论文。
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1919 年，英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿进行了一项著名的实验。爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论假定，大质量物体应该会在时空中造成凹陷，使附近的光线弯曲，这个过程被称为引力透镜效应。爱丁顿在一次日全食期间证明了这一点，当时太阳的光芒被最小化，以至于可以看到天空中靠近太阳的背景恒星。他使用一种称为天体测量学的技术，仔细记录了这些恒星在日食之前和期间的位置，揭示了由于它们的光线被我们恒星相当大的引力所扭曲，它们在天空中的视位置发生了细微的变化。“恒星的视位置发生了微小的偏移，”亚利桑那大学的费里亚尔·厄泽尔说，她也没有参与这篇论文。
在随后的几十年里，科学家们意识到这项技术的一种新颖用途。质量大于太阳质量约 20 倍的恒星，在其生命末期，当其重核在热核燃料耗尽后在自身重量下坍塌时，应该会形成黑洞。这种恒星质量黑洞——一个城市大小的球体，包含高达数十倍太阳质量——的诞生，通常伴随着由核心坍塌释放的巨大能量产生的明亮超新星。这些力量可能非常巨大，以至于有时会将新生的黑洞踢出其诞生地，开始无休止的星际巡航。这种宇宙流浪癖——加上黑洞的小尺寸和固有黑暗——应该使它们几乎不可能被看到。然而，爱丁顿的工作表明，可以通过观察它们的透镜效应来找到这些被遗弃者——通常是黑洞在我们视野范围内掠过任何背景恒星时，会发出明显的瞬时增亮信号。对于孤立黑洞来说，看到这种事件的几率很小，但鉴于预计有数百万个恒星质量黑洞在我们的星系中漂流，因此在足够广泛和深入的星空巡天中可能会发现一些。
现在有几个项目正在搜索这些和其他所谓的微引力透镜事件，包括波兰华沙大学运行的光学引力透镜实验 (OGLE) 和新西兰和日本研究人员运行的天体物理学微透镜观测 (MOA) 巡天。2011 年 6 月，这两项巡天发现了一些值得注意的东西：一颗突然变亮的恒星，距离我们 20,000 光年，位于银河系中心密集的银河系隆起方向。这可能是来自流浪黑洞的微引力透镜事件吗？天文学家竞相找出答案。
巴尔的摩太空望远镜科学研究所的凯拉什·萨胡就是其中之一，他是详细描述该物体发现的 arXiv 预印本的主要作者。使用哈勃太空望远镜，他和他的同事在恒星变亮后的几周内放大了这颗恒星，然后在接下来的六年里一次又一次地回到它身边。他们能够确认恒星的光线被放大了，这表明存在一个看不见的透镜物体，但他们发现了一些更重要的东西。恒星在太空中的视位置发生了微小的偏移。萨胡说，这种效应“比爱丁顿测量的效应小 1000 倍”，并且接近哈勃望远镜能力的极限。有什么隐藏的东西放大了并扭曲了来自恒星的光线。最佳候选者？一个看不见的恒星质量黑洞，质量是我们太阳的 7.1 倍。
“除了黑洞之外，没有其他可能性，”萨胡说。需要两件事来证实这一点。“第一个标准是透镜不应该发出光，”萨胡说，以排除更平凡的物体，例如被称为褐矮星的失败恒星。第二个标准是放大效应应该持续很长时间，考虑到黑洞引力影响范围的广阔范围。2011 年 6 月的事件持续了约 300 天，符合要求。“这是一个非常彻底和认真的分析，”埃尔-巴德里说。“他们已经尽职尽责了。”
然后，来自恒星的透镜效应和光线偏转量使萨胡和他的合作者能够将疑似黑洞的质量确定为略高于七个太阳质量。厄泽尔说，这使其“恰好位于”我们对恒星质量黑洞的预期范围的中间。该团队还能够计算出它的速度。“它的移动速度约为每秒 45 公里，”萨胡说。与附近的恒星相比，这相对较快——这正是人们期望的，如果黑洞被一颗垂死的巨星踢出。目前尚不清楚该事件何时发生，但它“可能发生在接近 1 亿年前的某个时间，”萨胡说。“我们无法真正确定，因为我们不知道它究竟来自哪里。”
然而，这并不是首次观测到来自流浪恒星质量黑洞的微引力透镜效应的暗示；其他几个候选者早于这个。现在不同的是，成功地测量了透镜物体对恒星光线的引力偏转，而不是仅仅是放大，从而可以最终推断出透镜物体的质量——以及它的真实性质。“以前曾探测到黑洞候选者，但他们没有这些天体测量学测量，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的戴维·贝内特说，他是萨胡和该发现论文的其他合著者。“这种技术是用于孤立恒星质量黑洞的最佳技术。这是首次尝试这样做。之前发现的所有黑洞都是因为它们不是孤立的。”
这个黑洞的质量进一步证明了天体物理学家的形成模型是正确的——孤立的黑洞可以从特别巨大的恒星前身的灰烬中升起。然而，这些黑洞也可能在双星系统中形成，然后再变成虚空中的游牧民族。对于这个特定物体，无法确定哪种起源故事发生。然而，可以肯定的是，找到更多孤立的黑洞将使研究人员能够更详细地探测和改进这些模型。“我们从未能够研究过单独存在的黑洞，”厄泽尔说。“因此，这种寻找它们的新方法，以及能够确定它们的质量，绝对令人兴奋。它们的形成方式是否不同？它们的质量分布是否不同？”
这些问题的答案可能很快就会到来。欧洲航天局的盖亚望远镜目前正在绘制我们银河系中数十亿颗恒星的位置。2025 年，该项目的科学家将发布来自其观测的透镜数据，预计其中将包含更多围绕我们星系快速移动的恒星质量单身汉的证据。“盖亚的数据质量将与哈勃的数据质量相似甚至更好，”华沙大学的武卡什·维尔济科夫斯基说，他是最新发现论文的合著者，他也利用盖亚寻找流浪黑洞。他估计，即将发布的透镜数据将包含数十个额外的候选者。
计划于明年开始为期 10 年的夜空巡天的智利薇拉·C·鲁宾天文台，以及计划于 2027 年发射的 NASA 南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，也预计将收获各自的流浪黑洞。鲁宾和罗曼都具有非常宽广的视野，使每个天文台都能捕捉到全景的繁星点点的景象，其中必定潜伏着大量自由漂浮的黑洞。“预计这些数据将会存在，”埃尔-巴德里说。“希望[鲁宾和罗曼]能够测量许多[恒星]的这种天体测量偏移。”
目前，这项黑暗的发现预示着搜索的光明未来。长期以来一直被预测但直到现在才被观测证实的流浪恒星质量黑洞，很可能在我们星系中足够普遍，可以支持对其种群的人口统计学研究。确定它们的真实丰度、质量和其他特性可以支撑我们仍然不完整的恒星演化理论——或者揭示我们理解中的重要新差距。“我们等待这项发现已经很多很多年了，”维尔济科夫斯基说。“这表明这种方法有效。引力微透镜是寻找这些孤立黑洞的方法。”