在我們的銀河系里，可能藏著一顆距離地球僅815光年的黑洞。
近日，山西大學(xué)副教授牛家樹(shù)與太原師范學(xué)院物理系副教授薛會(huì)芳的研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際天文學(xué)期刊《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上發(fā)表研究成果。該研究揭示了一項(xiàng)令人興奮的發(fā)現(xiàn)：一顆名為BE Lyncis（BE Lyn） 的大振幅脈動(dòng)變星，竟然與一個(gè)質(zhì)量至少為2.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的致密天體共舞于一個(gè)極端偏心的軌道上——其偏心率高達(dá)0.9989，是目前人類(lèi)所確認(rèn)的最高偏心率的雙星系統(tǒng)。
該系統(tǒng)在近星點(diǎn)處部分潮汐瓦解事件的示意圖（藝術(shù)加工）。山西大學(xué)供圖這一發(fā)現(xiàn)不僅刷新了雙星系統(tǒng)軌道的偏心率記錄，更可能為我們揭示了一顆“潛伏”在銀河系中的黑洞，距離地球僅約250秒差距（約815光年）。如果得到確認(rèn)，它將成為距離地球最近的黑洞。
一顆“宇宙節(jié)拍器”的隱秘信號(hào)
“BE Lyncis 是一顆著名的大振幅盾牌座δ型脈動(dòng)變星，它像一座精準(zhǔn)的宇宙時(shí)鐘，以每天約10.43次的頻率穩(wěn)定脈動(dòng)。”論文通訊作者牛家樹(shù)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，通過(guò)分析其39年來(lái)的442個(gè)亮度極大時(shí)刻，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些脈動(dòng)信號(hào)并非完全“準(zhǔn)時(shí)”，而是被一種微弱的“擺動(dòng)”所調(diào)制——這正是光時(shí)軌道效應(yīng)的特征。
該系統(tǒng)的星圖（實(shí)拍）。山西大學(xué)供圖論文通訊作者薛會(huì)芳解釋說(shuō)，這種效應(yīng)來(lái)自于脈動(dòng)變星圍繞其不可見(jiàn)的伴星運(yùn)動(dòng)時(shí)，光傳播的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致我們?cè)诘厍蛏嫌^測(cè)到的脈動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)了微小偏移。
研究團(tuán)隊(duì)利用TESS高精度測(cè)光數(shù)據(jù)和全球多地觀測(cè)資料，構(gòu)建了BE Lyn的軌道模型。結(jié)果顯示，這顆脈動(dòng)變星與它的伴星以約15.9年的周期相互繞轉(zhuǎn)，軌道極為扁平，偏心率達(dá)到 0.9989，意味著它們?cè)诮屈c(diǎn)時(shí)幾乎“擦肩而過(guò)”。
“它們的極端軌道比已知任何雙星都更‘扁’。”牛家樹(shù)說(shuō)，這一數(shù)值刷新了人類(lèi)現(xiàn)階段已確認(rèn)雙星的偏心率記錄。
黑洞還是中子星？質(zhì)量說(shuō)了算
這顆伴星究竟是黑洞還是中子星？
山西大學(xué)碩士研究生張穎深度參與了相關(guān)工作的推進(jìn)并做出了重要貢獻(xiàn)。張穎介紹，由于軌道傾角被限制在≤10.1°，研究團(tuán)隊(duì)推算出伴星的質(zhì)量≥2.5倍太陽(yáng)質(zhì)量。這一質(zhì)量遠(yuǎn)超白矮星的質(zhì)量上限，甚至超出了目前公認(rèn)的中子星最大質(zhì)量（約2.25倍太陽(yáng)質(zhì)量）。因此，這顆伴星只可能是一顆極端快速旋轉(zhuǎn)的中子星或者一個(gè)恒星質(zhì)量黑洞。
張穎說(shuō)，如果它是一顆中子星，則其將刷新人類(lèi)已知的中子星質(zhì)量上限；如果它是一顆黑洞，則其將刷新之前的記錄（Gaia BH1，距離地球約480秒差距，約1566光年），成為距離地球最近的黑洞。
此外，他們還觀察到這個(gè)雙星系統(tǒng)存在每16年一次的“微撕裂”。在近星點(diǎn)，脈動(dòng)變星與黑洞之間的距離將縮短到僅約太陽(yáng)半徑的兩倍，恒星的外層大氣將會(huì)被黑洞的潮汐力撕扯下來(lái)，形成周期性的部分潮汐瓦解事件。
“這種過(guò)程大約每16年重復(fù)一次，為研究黑洞如何吞噬物質(zhì)提供了珍貴的天然實(shí)驗(yàn)室。”薛會(huì)芳說(shuō)。
一種新的“黑洞獵手”方法誕生
盡管光變時(shí)延信號(hào)強(qiáng)烈支持黑洞解釋?zhuān)芯繄F(tuán)隊(duì)也坦誠(chéng)面對(duì)來(lái)自Hipparcos和Gaia衛(wèi)星的挑戰(zhàn)：這兩顆衛(wèi)星的長(zhǎng)期高精度觀測(cè)并未探測(cè)到預(yù)期的自行異常，BE Lyn 也未出現(xiàn)在蓋亞的非單星目錄中。這意味著，若黑洞確實(shí)存在，其引力對(duì)主星運(yùn)動(dòng)的影響必須在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化，從而“騙過(guò)”了長(zhǎng)期平均觀測(cè)。
薛會(huì)芳說(shuō)，這也是當(dāng)前研究中最大的未解之謎，未來(lái)幾期Gaia數(shù)據(jù)發(fā)布將有望給出最終答案。
牛家樹(shù)認(rèn)為，這項(xiàng)研究的真正突破在于，首次利用脈動(dòng)變星的光時(shí)軌道效應(yīng)，成功鎖定了一顆靜默的大質(zhì)量致密天體。這一方法為發(fā)現(xiàn)大量潛伏在銀河系中的“隱形黑洞”開(kāi)辟了新路徑。
牛家樹(shù)解釋說(shuō)：“BE Lyn 不僅是一個(gè)極端的天體物理實(shí)驗(yàn)室，更是我們探索超新星爆發(fā)、黑洞形成機(jī)制、恒星演化和強(qiáng)引力場(chǎng)星震學(xué)的寶貴樣本。”
未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃結(jié)合Gaia衛(wèi)星的進(jìn)一步數(shù)據(jù)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量和多波段觀測(cè)，最終揭開(kāi)這顆神秘伴星的真正身份。
該工作利用了TESS衛(wèi)星、Gaia衛(wèi)星和美國(guó)變星觀測(cè)者協(xié)會(huì)（AAVSO）的公開(kāi)數(shù)據(jù)，并得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和山西省高等學(xué)�？萍紕�(chuàng)新計(jì)劃的支持。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae5be3