黑洞猎人抵达加州理工学院

在本学年加入该学院担任天文学助理教授之前，卡里姆·巴德里（Kareem El-Badry）因揭穿其他研究人员发现黑洞的说法而成为头条新闻。许多表明黑洞存在的天体现象——顾名思义，黑洞是不可见的——可以用其他方式解释。对于El-Badry来说，揭穿黑洞的说法是寻找 实际 黑洞，了解它们的动力学以及估计它们在宇宙中的数量的一部分。

El-Badry本科就读于耶鲁大学，并在加州大学伯克利分校获得天体物理学博士学位。在来到加州理工学院之前，El-Badry在哈佛大学和史密森尼天体物理中心担任博士后职位。他继续在海德堡的马克斯·普朗克天文学研究所担任访问学者。

我们最近与El-Badry进行了一次对话，以更多地了解他对恒星的迷恋以及它们有时会留下的暗能量空隙。

是什么吸引你进入天体物理学？

当我开始上大学时，我以为我会从事人文学科。我是以哲学专业的身份入学的。但是，在我的第一年，我上了一门天文学入门课，那是我的入门药物。在那之后，我上了很多物理课，然后做了暑期研究，首先是在耶鲁大学，在那里我是本科生，然后在加州理工学院的菲尔霍普金斯实验室（霍普金斯是Ira S. Bowen理论天体物理学教授）的SURF学生。我很快意识到，比起哲学，我更喜欢科学。我觉得天文学中的问题比物理学的其他领域更容易理解。我可以选择一个新的研究领域，在六个月或一年内，我可以学到一些人们以前不知道的新东西。

是什么让你成为黑洞的破坏者？

这从来都不是我的目标。真正。我在研究生院花了很多时间研究寻找特定风味的黑洞：那些在大质量恒星死亡中形成的黑洞。这些“恒星质量”黑洞与在星系中心发现的“超大质量”黑洞不同。当时，我们所知道的唯一恒星质量黑洞是X射线双星。这些系统包括一颗围绕黑洞紧密运行并逐渐被黑洞吞噬的恒星。当来自恒星的物质落入黑洞时，它会以X射线的形式释放出大量能量，我们可以探测到它们，因为它们非常明亮。

我一直在寻找不同的东西——非吸积黑洞双星，它由一个黑洞组成，它与一颗恒星配对，但两个物体相距足够远，以至于恒星不会被黑洞吃掉。特别是自2015年开始探测引力波以来，我们一直怀疑我们在X射线双星中看到的黑洞在质量、形成方式、自旋等方面不一定代表整个黑洞群。

我花了几年时间寻找不吸积的黑洞，但我什么也没找到。但是其他小组开始发表发现，所以我开始研究这些发现，以改进我自己的搜索方法。在四年左右的时间里，我研究的每一个黑洞，都发现它实际上并不是一个黑洞。我会重新分析他们的数据，或者有时得到我自己的数据。你看，这是一个排除过程，以确定你是否找到了黑洞;您必须排除所有其他可能性。我发现，你是否找到一颗恒星绕着它的伴星，与你观察的彻底程度有关。在很多情况下，起初看起来轨道恒星没有可见的伴星，但如果你仔细观察，你会发现有一个。

我认为，对于我所写的所有物体，到现在为止，即使是原始发现论文的作者也承认这些东西可能不是黑洞。

你最终是否能够找到带有黑洞的双星系统，以及一颗恒星没有落入黑洞的恒星？

是的。在过去一年左右的时间里，我们发现了两个黑洞，它们比我们所知道的任何其他黑洞都更接近我们。它们与恒星的距离都超过了地球和太阳之间的距离。这相距太远，无法将恒星物质转移到黑洞上。

我們懷疑在地球上，我們並不是在宇宙中一個特別不尋常的地方，所以最接近我們的黑洞可能是最常見的黑洞類型。我现在正在做的一些主要事情是发现更多它们，测量它们的物理参数，在所有波长下观察它们，并尝试建立它们如何形成的进化模型。

你是如何发现它们的？

大多数恒星只是在银河系中直线移动。但是，如果它们绕着黑洞或另一颗恒星运行，那么除了速度之外，它们还会有轨道运动，额外的摆动。由欧洲航天局（European Space Agency）负责的 盖亚（Gaia ）任务正在测量大约10亿颗恒星的摆动。大约一年半前，他们发布了第一次关于双星信息的数据，这就是我们发现离我们最近的这两个黑洞的方式。第一次数据发布仅占该任务预期数据总量的1%左右。下一次大数据发布还有一两年的时间，所以我们觉得我们很快就会知道比现在多得多的东西。

这些黑洞离我们有多近？

我们发现的这两个天体比银河系中心的黑洞离我们近20倍。它们在我们的银河系中。一个距离我们大约1,500光年，另一个距离我们大约3,500光年。相比之下，银河系的中心距离我们25,000光年。

银河系的中心有一个大黑洞，质量只有几百万太阳。我们认为有1000万到1亿个较小的黑洞与银河系中的恒星混合在一起。它们是已经死去的恒星的尸体。就总质量而言，这些小黑洞比银河系中心的单个黑洞重100到1000倍。

模型表明，离我们最近的黑洞应该只有30到50光年远。事实上，应该有一百万个黑洞比我们迄今为止发现的最接近的黑洞更接近我们！只是它们中的大多数可能没有被恒星环绕，所以很难找到它们。

您从哪里获得数据？

我在夏威夷用过凯克望远镜，在加利福尼亚、智利和亚利桑那州用过较小的望远镜——基本上是我能拿到的任何东西。对于这些发现，我们需要大量的测量。但是，由于我们在这些双星系统中观察的是相对明亮的恒星，因此我们不一定需要大型望远镜。我们只需要连续许多个晚上看着同一颗星星。我们经常将来自不同天文台的数据结合起来。

如果你观察一颗恒星在其轨道不同阶段的光谱，你可以看到光谱是如何变化的。如果它的伴星真的是一个黑洞，如果它不产生任何光，那么你应该看到多普勒在恒星的光谱中移动[光频率的变化，告诉我们一个物体是朝我们移动还是远离我们]，但光谱中特征的形状根本不应该改变。如果那里有另一颗恒星，那么光谱将显示出一些其他变化。

到目前为止，您如何看待加州理工学院？

对于我工作的领域——恒星、双星、致密天体——这里有相当多的人要么在开发模型来与我获得的数据进行比较，要么首先生成数据。有很多望远镜资源，帕萨迪纳很不错。到目前为止，一切都很好。我特别喜欢与我的研究小组建立联系。虽然只有六七个月，但我已经看到学生们取得了很大的进步。有这么小的社区真是太好了。

您的小组是否正在研究其他主题？

是的。我们正在做的大多数项目都涉及某种双星。有一类超新星在宇宙学中被大量使用，因为它们的亮度基本相同：1A型超新星。我们非常确定，与由大质量恒星坍缩引起的正常超新星不同，1A型超新星是由低质量恒星白矮星爆炸引起的。我们仍然不知道究竟是什么原因导致它们爆炸。我们认为白矮星必须位于双星系统中，而另一颗恒星必须将质量转移到白矮星上。但究竟是什么原因导致了爆炸，目前尚不清楚。

我的小组对Ia型超新星的模型很感兴趣，该模型始于双星系统中的两颗白矮星相互螺旋。白矮星非常密集，因此它们可以进入非常紧凑、快速的轨道。当它们到达即将合并的地步时，有什么东西引爆了其中一颗白矮星。来自那颗恒星中心的失控聚变将其炸毁，几乎将其蒸发，而另一颗恒星则以轨道速度被抛向太空。

所以，如果你发现星星在匆忙地移动，也许他们曾经是双星舞的参与者？

完全。我们现在已经发现了一些失控的白矮星。它们的移动速度比银河系的逃逸速度快得多，所以我们知道它们一定是最近形成的，否则它们就不会再在这里了。

当你向后追踪它们的轨迹时，在某些情况下，它会直接指向1A型超新星的残余物，所以我们认为我们有相当有力的证据表明，至少有一些1A型超新星来自双白矮星合并。

当我们观察失控的白矮星的光谱时，我们会看到通常不存在的元素，我们认为这些元素是爆炸的伴星核燃烧的产物。

如果我们能够测量这些天体的寿命，我们就可以估计它们的出生率，并发现这些恒星从双星系统中喷射出来的频率。我们可以将这个速率与已知的1A型超新星速率进行比较，看看这是否是这些超新星通常来自的地方，或者是否存在其他机制。

你在天体物理学上的时间是否改变了你看待夜空的方式？如果你回想一下你成为天文学家之前的样子，现在有什么不同吗？

我认为它已经改变了一些。不过，老实说，我不经常看夜空。最近，作为一个业余爱好者，我对一些你可以用肉眼看到的星星产生了兴趣。像北极星一样，北极星也是一个造父变星。如果你测量造父变星跳动的周期，你应该能够看到它在许多个夜晚变得越来越亮和暗淡，甚至可能用肉眼。

但是，如果我在黑暗中带你到外面，你能指出你在银河系中发现的两个黑洞的位置吗？

我知道它们在天空中的位置，是的。它们环绕的恒星太暗了，无法用肉眼看到，但按照天文标准，它们仍然很亮。即使使用小型望远镜，您也可以看到它们。