對於尋找黑洞的天文學家來說，現在是繁榮時期。最大的黑洞——質量可達數十億個太陽的超大質量黑洞——已在幾乎每個星系的中心被發現，我們甚至設法拍攝到了其中一個的影像。與此同時，研究人員現在經常探測到來自較小合併黑洞的引力波在宇宙中傳播。在離我們更近的地方，我們已經目睹了銀河系自身的超大質量黑洞及其較小的同類吞噬氣體雲甚至整個恆星時產生的壯觀天體煙火。然而，我們以前從未見過一種長期預測的現象：一個孤立的黑洞在太空中漫無目的地漂流，它誕生於一顆巨大恆星坍塌的核心並被拋射出來。
直到現在。
科學家們宣佈首次明確發現了一個自由漂浮的黑洞，一個在距離地球約 5,000 光年的虛空中游蕩的流浪者。這項結果於1 月 31 日出現在 arXiv 預印本伺服器上，但尚未經過同行評審，代表了十多年熱切搜尋的頂峰。“這太令人興奮了，”德國歐洲南方天文臺的瑪麗娜·雷克巴說，她是該論文的合著者。“我們實際上可以證明孤立的黑洞是存在的。”這項發現可能只是一個開始；正在進行的觀測和即將到來的任務預計將發現數十個甚至數百個更多的黑暗、孤獨的旅行者。“這只是冰山一角，”哈佛-史密森天體物理學中心的卡里姆·埃爾-巴德里說，他沒有參與這篇論文。
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1919 年，英國天文學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓進行了一項著名的實驗。愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論假定，大質量物體應該會在時空中造成凹陷，使附近的光線彎曲，這個過程被稱為引力透鏡效應。愛丁頓在一次日全食期間證明了這一點，當時太陽的光芒被最小化，以至於可以看到天空中靠近太陽的背景恆星。他使用一種稱為天體測量學的技術，仔細記錄了這些恆星在日食之前和期間的位置，揭示了由於它們的光線被我們恆星相當大的引力所扭曲，它們在天空中的視位置發生了細微的變化。“恆星的視位置發生了微小的偏移，”亞利桑那大學的費里亞爾·厄澤爾說，她也沒有參與這篇論文。
在隨後的幾十年裡，科學家們意識到這項技術的一種新穎用途。質量大於太陽質量約 20 倍的恆星，在其生命末期，當其重核在熱核燃料耗盡後在自身重量下坍塌時，應該會形成黑洞。這種恆星質量黑洞——一個城市大小的球體，包含高達數十倍太陽質量——的誕生，通常伴隨著由核心坍塌釋放的巨大能量產生的明亮超新星。這些力量可能非常巨大，以至於有時會將新生的黑洞踢出其誕生地，開始無休止的星際巡航。這種宇宙流浪癖——加上黑洞的小尺寸和固有黑暗——應該使它們幾乎不可能被看到。然而，愛丁頓的工作表明，可以透過觀察它們的透鏡效應來找到這些被遺棄者——通常是黑洞在我們視野範圍內掠過任何背景恆星時，會發出明顯的瞬時增亮訊號。對於孤立黑洞來說，看到這種事件的機率很小，但鑑於預計有數百萬個恆星質量黑洞在我們的星系中漂流，因此在足夠廣泛和深入的星空巡天中可能會發現一些。
現在有幾個專案正在搜尋這些和其他所謂的微引力透鏡事件，包括波蘭華沙大學執行的光學引力透鏡實驗 (OGLE) 和紐西蘭和日本研究人員執行的天體物理學微透鏡觀測 (MOA) 巡天。2011 年 6 月，這兩項巡天發現了一些值得注意的東西：一顆突然變亮的恆星，距離我們 20,000 光年，位於銀河系中心密集的銀河系隆起方向。這可能是來自流浪黑洞的微引力透鏡事件嗎？天文學家競相找出答案。
巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所的凱拉什·薩胡就是其中之一，他是詳細描述該物體發現的 arXiv 預印本的主要作者。使用哈勃太空望遠鏡，他和他的同事在恆星變亮後的幾周內放大了這顆恆星，然後在接下來的六年裡一次又一次地回到它身邊。他們能夠確認恆星的光線被放大了，這表明存在一個看不見的透鏡物體，但他們發現了一些更重要的東西。恆星在太空中的視位置發生了微小的偏移。薩胡說，這種效應“比愛丁頓測量的效應小 1000 倍”，並且接近哈勃望遠鏡能力的極限。有什麼隱藏的東西放大了並扭曲了來自恆星的光線。最佳候選者？一個看不見的恆星質量黑洞，質量是我們太陽的 7.1 倍。
“除了黑洞之外，沒有其他可能性，”薩胡說。需要兩件事來證實這一點。“第一個標準是透鏡不應該發出光，”薩胡說，以排除更平凡的物體，例如被稱為褐矮星的失敗恆星。第二個標準是放大效應應該持續很長時間，考慮到黑洞引力影響範圍的廣闊範圍。2011 年 6 月的事件持續了約 300 天，符合要求。“這是一個非常徹底和認真的分析，”埃爾-巴德里說。“他們已經盡職盡責了。”
然後，來自恆星的透鏡效應和光線偏轉量使薩胡和他的合作者能夠將疑似黑洞的質量確定為略高於七個太陽質量。厄澤爾說，這使其“恰好位於”我們對恆星質量黑洞的預期範圍的中間。該團隊還能夠計算出它的速度。“它的移動速度約為每秒 45 公里，”薩胡說。與附近的恆星相比，這相對較快——這正是人們期望的，如果黑洞被一顆垂死的巨星踢出。目前尚不清楚該事件何時發生，但它“可能發生在接近 1 億年前的某個時間，”薩胡說。“我們無法真正確定，因為我們不知道它究竟來自哪裡。”
然而，這並不是首次觀測到來自流浪恆星質量黑洞的微引力透鏡效應的暗示；其他幾個候選者早於這個。現在不同的是，成功地測量了透鏡物體對恆星光線的引力偏轉，而不是僅僅是放大，從而可以最終推斷出透鏡物體的質量——以及它的真實性質。“以前曾探測到黑洞候選者，但他們沒有這些天體測量學測量，”美國宇航局戈達德太空飛行中心的戴維·貝內特說，他是薩胡和該發現論文的其他合著者。“這種技術是用於孤立恆星質量黑洞的最佳技術。這是首次嘗試這樣做。之前發現的所有黑洞都是因為它們不是孤立的。”
這個黑洞的質量進一步證明了天體物理學家的形成模型是正確的——孤立的黑洞可以從特別巨大的恆星前身的灰燼中升起。然而，這些黑洞也可能在雙星系統中形成，然後再變成虛空中的遊牧民族。對於這個特定物體，無法確定哪種起源故事發生。然而，可以肯定的是，找到更多孤立的黑洞將使研究人員能夠更詳細地探測和改進這些模型。“我們從未能夠研究過單獨存在的黑洞，”厄澤爾說。“因此，這種尋找它們的新方法，以及能夠確定它們的質量，絕對令人興奮。它們的形成方式是否不同？它們的質量分佈是否不同？”
這些問題的答案可能很快就會到來。歐洲航天局的蓋亞望遠鏡目前正在繪製我們銀河系中數十億顆恆星的位置。2025 年，該專案的科學家將釋出來自其觀測的透鏡資料，預計其中將包含更多圍繞我們星系快速移動的恆星質量單身漢的證據。“蓋亞的資料質量將與哈勃的資料質量相似甚至更好，”華沙大學的武卡什·維爾濟科夫斯基說，他是最新發現論文的合著者，他也利用蓋亞尋找流浪黑洞。他估計，即將釋出的透鏡資料將包含數十個額外的候選者。
計劃於明年開始為期 10 年的夜空巡天的智利薇拉·C·魯賓天文臺，以及計劃於 2027 年發射的 NASA 南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，也預計將收穫各自的流浪黑洞。魯賓和羅曼都具有非常寬廣的視野，使每個天文臺都能捕捉到全景的繁星點點的景象，其中必定潛伏著大量自由漂浮的黑洞。“預計這些資料將會存在，”埃爾-巴德里說。“希望[魯賓和羅曼]能夠測量許多[恆星]的這種天體測量偏移。”
目前，這項黑暗的發現預示著搜尋的光明未來。長期以來一直被預測但直到現在才被觀測證實的流浪恆星質量黑洞，很可能在我們星系中足夠普遍，可以支援對其種群的人口統計學研究。確定它們的真實丰度、質量和其他特性可以支撐我們仍然不完整的恆星演化理論——或者揭示我們理解中的重要新差距。“我們等待這項發現已經很多很多年了，”維爾濟科夫斯基說。“這表明這種方法有效。引力微透鏡是尋找這些孤立黑洞的方法。”