科技訊 北京時(shí)間2019年11月28日消息，今日，國際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了我國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，并提供了一種利用我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法，這顆70倍太陽質(zhì)量的超大恒星級(jí)黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，勢必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。
宇宙吸光器
霍金在其最后的著作《十問》中寫道，“事實(shí)有時(shí)候比小說更奇妙，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。 1915年愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場方程式的一個(gè)精確解，預(yù)示了黑洞的存在。自此人類就沒有停止過對這種神秘天體的想象和探索。1965年，天鵝座X-1因其強(qiáng)X射線輻射成為第一顆被發(fā)現(xiàn)的黑洞侯選體；2015年，首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據(jù)；2019年，天文學(xué)家歷時(shí)10年利用四大洲八個(gè)觀測點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺證據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。黑洞到底是什么，為何讓一代代天文學(xué)家為之如此著迷？本身不發(fā)光，密度非常大（把10倍于太陽質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中，這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度），具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)，就連速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以說，黑洞是名副其實(shí)的宇宙真空“吸光器”。
天文學(xué)家根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，將黑洞大致分為恒星級(jí)黑洞（100倍太陽質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（100-10萬倍太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（10萬倍太陽質(zhì)量以上）。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的 “居民”。一顆恒星演化到最后如果剩下的質(zhì)量太多（大于3倍太陽質(zhì)量），多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進(jìn)入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恒星在終極引力的作用下持續(xù)塌縮，最終形成致密的黑洞。球狀星團(tuán)和矮星系中心或許有中等質(zhì)量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質(zhì)量黑洞，比如銀河系中心就有一個(gè)約400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。
黑洞神秘而又有趣，若龍潛深淵，隱藏爪牙，潛行于宇宙星海中。黑洞本身不發(fā)光，天文學(xué)家又如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢？奈何它們身邊的小伙伴們實(shí)在是太高調(diào)，周邊吸積盤或者伴星都表現(xiàn)出異樣的“氣場”。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)密近雙星系統(tǒng)，黑洞就會(huì)露出猙獰的爪牙，以強(qiáng)大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線光（圖一）。這些X射線光如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一“照”成為天文學(xué)家過去這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。
圖一 黑洞吸積噴射出X射線的藝術(shù)想象圖（來自網(wǎng)絡(luò)）
迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級(jí)黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識(shí)別的。過去的五十年里，人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約二十顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽質(zhì)量之間。銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論預(yù)測，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級(jí)黑洞，而在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的只占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)時(shí)，我們的“大胃王”也會(huì)表現(xiàn)出平靜溫和的一面，那對于這些平靜態(tài)（不吸積伴星氣體）的黑洞如何來搜尋呢？天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過程中給出了全新的答案。
星星在繞“誰”運(yùn)動(dòng)？
國家天文臺(tái)劉繼峰研究員和張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在浩瀚星海中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)表現(xiàn)異常的雙星系統(tǒng)，這其中會(huì)不會(huì)包含一顆深藏不露的黑洞呢？700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。
2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺(tái)韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并選擇了開普勒一個(gè)天區(qū)（K2-0）中的3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年的光譜監(jiān)測。在這其中有一顆“走路拉風(fēng)”的B型星引起了研究人員的關(guān)注，這顆星表現(xiàn)出規(guī)律地周期性運(yùn)動(dòng)和不同尋常的光譜特征。這條LAMOST“眼中”的B型星光譜攜帶了非常豐富的信息，除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的明線（Hα發(fā)射線）給這顆星增添了足夠的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星背后一定有故事，它到底在繞著看不見的“誰”運(yùn)動(dòng)？莫非真的是黑洞?。。√煳膶W(xué)家在追逐宇宙真相的道路上從來都不會(huì)輕易放過任何一種可能。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這顆特殊B型星背后的真相，研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡（GTC）的21次觀測和美國10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck）的7次高分辨率觀測，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。
圖二 LB-1系統(tǒng)中B型星和黑洞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和速度曲線
根據(jù)光譜信息，研究人員計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量，年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年。根據(jù)B型星和Hα發(fā)射線的速度振幅之比，研究人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。B型星背后的“大BOSS”就這樣被天文學(xué)家挖了出來，這樣的結(jié)果無疑是讓人們興奮和驚喜的，然而機(jī)遇永遠(yuǎn)都是留給有準(zhǔn)備的人，沒有兩年前茫茫星海的“撒網(wǎng)”，也便沒有今天這個(gè)“主角”的出現(xiàn)。
為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上做出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個(gè)包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1（圖三）。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠(yuǎn)（1.5倍日地距離）。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺(tái)對該源進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級(jí)黑洞 “冠軍”。
圖三 LB-1的藝術(shù)想象圖（喻京川繪）
黑洞“冠軍”的前世今生
從2015年起，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）的引力波觀測實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系里的恒星級(jí)黑洞。而研究人員發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽質(zhì)量的超級(jí)黑洞不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞，同時(shí)刷新了人類對于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知（圖四）。
該論文第一作者劉繼峰研究員介紹說，一般模型認(rèn)為大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞主要形成于低金屬豐度（低于1/5太陽金屬豐度）環(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。這可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機(jī)制被忽視。LIGO臺(tái)長大衛(wèi)。雷茨評論說，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學(xué)家改寫恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里L(fēng)IGO及Virgo探測到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興”。
圖四 LB-1和引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布
另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。研究人員猜想，LB-1最初是一個(gè)三體系統(tǒng)，觀測到的B型星位于最外軌道，是質(zhì)量最小的組成部分，而現(xiàn)在的黑洞是由最初內(nèi)部的雙星形成的雙黑洞并合而成。在這種情形下，該系統(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，并為研究三體系統(tǒng)中雙黑洞形成提供了獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)室。
“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就
這顆 “黑洞之王”的發(fā)現(xiàn)充分證實(shí)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬的光譜巡天項(xiàng)目，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”（圖五）。從2016年11月開始，為了發(fā)現(xiàn)和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對開普勒一個(gè)天區(qū)的3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測，累計(jì)曝光時(shí)間約40小時(shí)。如果利用一架普通四米望遠(yuǎn)鏡專門來尋找這樣一顆黑洞（一年觀測365天，每天觀測8小時(shí)），同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間！這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率！
“工欲善其事必先利其器”，LAMOST這臺(tái)“天文利器”助力天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了今天的主角“黑洞之王”，而“黑洞之王”的現(xiàn)身也為“光譜之王”——LAMOST增添了更多精彩。這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，也是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，它的出現(xiàn)將標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時(shí)代的到來。相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界津津樂道的一段佳話。
圖五 LAMOST望遠(yuǎn)鏡與星空（國家天文臺(tái)供圖）
LB-1是一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，利用常規(guī)X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。利用LAMOST大規(guī)模巡天優(yōu)勢和速度監(jiān)測方法，相信天文學(xué)家將會(huì)發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的平靜態(tài)黑洞， 從而逐步揭開這個(gè)黑暗“家族”的內(nèi)幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步。
