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星海茫茫,捕捉“黑洞之王”

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LB—1艺术想象图。

喻京川绘(新华社发)

核心阅读

恒星黑洞由大质量恒星死亡形成,根据理论推算,上亿个恒星量级的黑洞“潜行”于茫茫星海中,想要找到它们却并不容易。

我国天文学家利用郭守敬望远镜,通过长时间、大范围的监测,发现迄今为止最大质量的恒星级黑洞,约为70倍太阳质量。这一发现,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新,也开辟了利用郭守敬望远镜巡天优势搜寻黑洞的新路径。

近日,国际期刊《自然》在线发布了中国天文学家主导的一项重大成果:中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞。这是继今年4月,黑洞首次展露“真颜”后,又一相关重大发现。

这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,堪称“黑洞之王”,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

上亿黑洞“深藏不露”,寻找它们是难点

1915年爱因斯坦提出广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解,预言了黑洞的存在,自此人类就没有停止过对它的想象和探索。

神秘的黑洞是怎样形成的?像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧坍缩,当其质量大于约3倍太阳质量时,便会坍缩为一个奇点,成为黑洞。由于其密度极高、引力超强,即便是光也无法从它身边逃离。

按照其质量不同,天文学家将黑洞大致分为三类:恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍—10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。

刘继峰说:“恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,在宇宙中广泛存在。根据理论推算,银河系中应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。”

然而,想要在茫茫宇宙中寻找到它们却并不容易。因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

该怎么办?天文学家们尝试寻找各种间接证据,经过探索研究,发现了一个现象:黑洞会“吃东西”。它在接近一颗恒星组成双星系统时,会以强大的“胃口”直接把对方的气体物质吸过来,形成吸积盘,并发射出明亮的X射线光。通过探测这些X射线光,可以判断并选出黑洞候选体,再通过进一步监测伴星的运动,可以测量黑洞的质量并最终确认其存在。

刘继峰介绍说,过去的50年里,天文学家通过这种方法发现了约20颗黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。

但是,按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,而在黑洞双星系统中,能够发出X射线的只占一小部分。那么,“沉默”的大多数该如何被寻找到呢?于是,找到新方法,去发现数量巨大且没有X射线辐射的黑洞,成了天文学界近年来研究的热点和难点。

超大质量黑洞,超出模型理论上限

2016年秋,国家天文台领导的研究团队利用郭守敬望远镜开展双星课题研究,历时两年监测了开普勒一个天区(K2—0)内的3000多颗恒星。

在监测过程中,有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注:这颗8倍太阳质量的蓝色恒星,一直在围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。

团队成员、中国科学院大学研究生郑传杰说:“它的光谱携带了非常丰富的信息,除了可以获取它的有效温度、表面重力、金属丰度等重要信息外,光谱中还有一条近乎静止且运行方向和B型星反相位的发射线,这点很不寻常。”

通过各种迹象,研究人员推测,那个被B型星围绕的“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。

“根据多个望远镜的多次观测,我们进一步确认了B型星的性质。根据光谱信息,计算出B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度,质量约为8倍太阳质量,年龄约为35百万年,距离我们1.4万光年。”郑传杰说:“接着,根据B型星和其光谱中那条‘特殊’发射线的速度振幅之比,计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体。质量如此之大的,只能是黑洞。”

据刘继峰回忆,最初得到结果时,所有人都不敢相信。因为,目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞,这颗新发现的黑洞质量已经超出了理论范围。

《自然》杂志的审稿人对此也非常谨慎,提出很多问题。研究团队反复计算确认,“最终结果不变。这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。”刘继峰说。

而且,与其他已知的恒星级黑洞不同,这颗黑洞之前从未在任何X射线中被探测到过,它对其伴星吸积非常微弱,属于之前所说的“沉默”的大多数。刘继峰说:“这个重大发现还开辟了一条利用郭守敬望远镜的巡天优势寻找黑洞的新方法。”

巡天监测,未来将描绘黑洞群像图

值得一提的是,两年半的监测时间里,郭守敬望远镜共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。“如果利用一架普通4米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间。”刘继峰这样比喻。

为了纪念郭守敬望远镜在发现这颗恒星级黑洞上做出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB—1。

LB—1的发现充分证实了郭守敬望远镜强大的光谱获取能力。郭守敬望远镜拥有4000根光纤,好比长了4000只眼睛,一次能够观测近4000个天体。2019年3月,郭守敬望远镜公开发布了1125万条光谱,成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

郭守敬望远镜的一个个科学发现,让天文学家得以重新审视银河系:

利用郭守敬望远镜数据,发现人类居住的家园银河系比之前认识的大了一倍,还精确称量出银河系的体重约为太阳质量的9000亿倍;银河系晕的面貌被改写,天文学家们发现银晕是个内扁外圆的“胖子”;此外,还发现了万余颗贫金属星,拥有了目前世界上最大、适合现有大望远镜跟踪观测的宇宙化石样本;获取了上百万颗恒星的年龄,为银河系演化研究提供了基础数据……

此次这颗恒星级黑洞,是郭守敬望远镜发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用郭守敬望远镜巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。

据刘继峰介绍,接下来,研究团队计划开展一个名为“黑洞猎手”的计划,利用郭守敬望远镜巡天优势批量发现黑洞并测量黑洞质量,“预计在未来5年内发现并测量出近百个黑洞,并描绘出一幅黑洞群像画。”刘继峰说。

在搜寻黑洞的同时,郭守敬望远镜也将继续搜寻地外文明,通过探测系外行星宿主恒星及其性质,加快系外行星的搜寻及对地外生命的探索等。

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