吞下自己光芒的黑洞

事件视界是黑洞之所以为黑洞的关键：它是一道边界，越过它之后，任何东西，连光也无法返回。按照定义，它不会向我们发出任何信号。事件视界望远镜已经拍下了M87星系和人马座A*中巨型黑洞的阴影——这是视界存在的间接证据。但由恒星形成的黑洞，其视界直径只有几十公里，小到根本无法成像。

“暗淡伴侣”论证

天文学家还有另一条线索。在死亡恒星从伴星吸积气体的双星系统中，处于宁静态的黑洞系统通常比轨道相近的中子星系统暗约一百倍。解释是：落下的气体撞上中子星表面并发光，而黑洞把能量吞了进去。

这个论证的薄弱之处在于一个假设。它假定轨道相近就意味着“进食”速率相近。对于周期超过80分钟的轨道，伴星可能是褐矮星、普通恒星或巨星，而且有多种效应可以驱动气体流动。真实的“进食”速率是未知的。

几分钟绕转一圈的双星

厦门大学的Qian-Qi Ma、顾为民（Wei-Min Gu）和孙谋远（Mouyuan Sun），以及南京师范大学的Shan-Shan Weng，把目光投向了超致密X射线双星。当轨道周期短于40分钟时，两个天体靠得如此之近，伴星只可能是一颗白矮星。而轨道收缩主要是因为辐射引力波。

这使得这些系统成为干净的天然实验室。此时，“进食”速率只取决于引力理论，以及白矮星大小与质量之间的关系。只需轨道周期，再假定几个质量值——中子星为1.4到2倍太阳质量，黑洞为3到20倍——就能把它计算出来。

团队保留了五个这样的系统，全都位于球状星团中。球状星团是由古老恒星组成的致密星团，其距离已知，误差在2%以内：

• 其中四个含有中子星，通过其热核X射线暴识别；
• 另一个，47 Tuc X-9，含有一个黑洞，通过其射电与X射线辐射的协同变化识别。它的轨道周期约为28分钟。

随后，他们把每个系统的平均X射线输出（取自钱德拉、雨燕等天文台的数据）与计算出的“进食”速率进行比较。

暗了一千倍

结果就是辐射效率：落入物质的能量中，以X射线形式释放出来的比例。

• 四颗中子星的辐射效率都高于5%。
• 黑洞的辐射效率低于0.03%。

两者相差两到三个数量级。最惊人的一对是：中子星系统M15 X-2和黑洞47 Tuc X-9的“进食”速率相近，约为每秒10¹⁶克，然而47 Tuc X-9却暗了一千倍。即使考虑到某些源的亮度存在高达十倍的不确定性，两组仍然泾渭分明。

能量去了哪里

作者用底部的不同来解释这一点。中子星有坚硬的表面：即使炽热的流入气体在下落途中辐射效率很低，其能量最终也会沉积在这个表面上并重新辐射出来。黑洞没有表面。在低“进食”速率下，气体的大部分能量以热的形式被带向内部——然后消失在视界之后。

在作者看来，这是恒星级黑洞存在视界的有力证据，不过正如他们自己在摘要中所说，这是间接证据。它只基于一个黑洞。他们提出了一个可检验的预言：在这类紧密双星中新发现的任何中子星都应该落在明亮组，而任何轨道相近的黑洞都应该和47 Tuc X-9一样暗。

对巨型黑洞的启示

这项研究还发出了更广泛的警示。对黑洞来说，亮度并不能很好地衡量它们吃了多少。黑洞可以在保持暗淡的同时不断成长。作者认为，根据光度推断超大质量黑洞成长的巡天观测，可能会遗漏其中一部分成长。