LB—1藝術(shù)想象圖。
恒星級(jí)黑洞由大質(zhì)量恒星死亡形成，根據(jù)理論推算，上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞“潛行”于茫茫星海中，想要找到它們卻并不容易。
我國(guó)天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，約為70倍太陽(yáng)質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新，也開(kāi)辟了利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢(shì)搜尋黑洞的新路徑。
近日，國(guó)際期刊《自然》在線發(fā)布了中國(guó)天文學(xué)家主導(dǎo)的一項(xiàng)重大成果：中國(guó)科學(xué)院國(guó)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)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞。這是繼今年4月，黑洞首次展露“真顏”后，又一相關(guān)重大發(fā)現(xiàn)。
這顆70倍太陽(yáng)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(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，堪稱(chēng)“黑洞之王”，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。
上億黑洞“深藏不露”，尋找它們是難點(diǎn)
1915年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)言了黑洞的存在，自此人類(lèi)就沒(méi)有停止過(guò)對(duì)它的想象和探索。
神秘的黑洞是怎樣形成的?像宇宙萬(wàn)物一樣，恒星也會(huì)衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時(shí)，內(nèi)核會(huì)急劇坍縮，當(dāng)其質(zhì)量大于約3倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，便會(huì)坍縮為一個(gè)奇點(diǎn)，成為黑洞。由于其密度極高、引力超強(qiáng)，即便是光也無(wú)法從它身邊逃離。
按照其質(zhì)量不同，天文學(xué)家將黑洞大致分為三類(lèi)：恒星級(jí)黑洞(100倍太陽(yáng)質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100倍—10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上)。
劉繼峰說(shuō)：“恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，在宇宙中廣泛存在。根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞。”
然而，想要在茫茫宇宙中尋找到它們卻并不容易。因?yàn)楹诙醋陨聿话l(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無(wú)法直接觀測(cè)到它。
該怎么辦?天文學(xué)家們嘗試尋找各種間接證據(jù)，經(jīng)過(guò)探索研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象：黑洞會(huì)“吃東西”。它在接近一顆恒星組成雙星系統(tǒng)時(shí)，會(huì)以強(qiáng)大的“胃口”直接把對(duì)方的氣體物質(zhì)吸過(guò)來(lái)，形成吸積盤(pán)，并發(fā)射出明亮的X射線光。通過(guò)探測(cè)這些X射線光，可以判斷并選出黑洞候選體，再通過(guò)進(jìn)一步監(jiān)測(cè)伴星的運(yùn)動(dòng)，可以測(cè)量黑洞的質(zhì)量并最終確認(rèn)其存在。
劉繼峰介紹說(shuō)，過(guò)去的50年里，天文學(xué)家通過(guò)這種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。
但是，按照理論預(yù)測(cè)，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射線的只占一小部分。那么，“沉默”的大多數(shù)該如何被尋找到呢?于是，找到新方法，去發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大且沒(méi)有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
超大質(zhì)量黑洞，超出模型理論上限
2016年秋，國(guó)家天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展雙星課題研究，歷時(shí)兩年監(jiān)測(cè)了開(kāi)普勒一個(gè)天區(qū)(K2—0)內(nèi)的3000多顆恒星。
在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，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8倍太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)色恒星，一直在圍繞一個(gè)“看不見(jiàn)的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)。
團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研究生鄭傳杰說(shuō)：“它的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，光譜中還有一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的發(fā)射線，這點(diǎn)很不尋常。”
通過(guò)各種跡象，研究人員推測(cè)，那個(gè)被B型星圍繞的“看不見(jiàn)的天體”極有可能是一個(gè)黑洞。
“根據(jù)多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的多次觀測(cè)，我們進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。根據(jù)光譜信息，計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽(yáng)豐度，質(zhì)量約為8倍太陽(yáng)質(zhì)量，年齡約為35百萬(wàn)年，距離我們1.4萬(wàn)光年。”鄭傳杰說(shuō)：“接著，根據(jù)B型星和其光譜中那條‘特殊’發(fā)射線的速度振幅之比，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(yáng)質(zhì)量的不可見(jiàn)天體。質(zhì)量如此之大的，只能是黑洞。”
據(jù)劉繼峰回憶，最初得到結(jié)果時(shí)，所有人都不敢相信。因?yàn)?，目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下形成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量已經(jīng)超出了理論范圍。
《自然》雜志的審稿人對(duì)此也非常謹(jǐn)慎，提出很多問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)計(jì)算確認(rèn)，“最終結(jié)果不變。這可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被改寫(xiě)，或者以前某種黑洞形成機(jī)制被忽視。”劉繼峰說(shuō)。
而且，與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，這顆黑洞之前從未在任何X射線中被探測(cè)到過(guò)，它對(duì)其伴星吸積非常微弱，屬于之前所說(shuō)的“沉默”的大多數(shù)。劉繼峰說(shuō)：“這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)還開(kāi)辟了一條利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新方法。”
巡天監(jiān)測(cè)，未來(lái)將描繪黑洞群像圖
值得一提的是，兩年半的監(jiān)測(cè)時(shí)間里，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共為這項(xiàng)研究做了26次觀測(cè)，累積曝光時(shí)間約40個(gè)小時(shí)。“如果利用一架普通4米口徑望遠(yuǎn)鏡來(lái)尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間。”劉繼峰這樣比喻。
為了紀(jì)念郭守敬望遠(yuǎn)鏡在發(fā)現(xiàn)這顆恒星級(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L(zhǎng)B—1。
LB—1的發(fā)現(xiàn)充分證實(shí)了郭守敬望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜獲取能力。郭守敬望遠(yuǎn)鏡擁有4000根光纖，好比長(zhǎng)了4000只眼睛，一次能夠觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，郭守敬望遠(yuǎn)鏡公開(kāi)發(fā)布了1125萬(wàn)條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬(wàn)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”。
郭守敬望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓天文學(xué)家得以重新審視銀河系：
利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人類(lèi)居住的家園銀河系比之前認(rèn)識(shí)的大了一倍，還精確稱(chēng)量出銀河系的體重約為太陽(yáng)質(zhì)量的9000億倍;銀河系暈的面貌被改寫(xiě)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)銀暈是個(gè)內(nèi)扁外圓的“胖子”;此外，還發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)余顆貧金屬星，擁有了目前世界上最大、適合現(xiàn)有大望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測(cè)的宇宙化石樣本;獲取了上百萬(wàn)顆恒星的年齡，為銀河系演化研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)……
此次這顆恒星級(jí)黑洞，是郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，它的出現(xiàn)將標(biāo)志著利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢(shì)搜尋黑洞新時(shí)代的到來(lái)。
據(jù)劉繼峰介紹，接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開(kāi)展一個(gè)名為“黑洞獵手”的計(jì)劃，利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢(shì)批量發(fā)現(xiàn)黑洞并測(cè)量黑洞質(zhì)量，“預(yù)計(jì)在未來(lái)5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測(cè)量出近百個(gè)黑洞，并描繪出一幅黑洞群像畫(huà)。”劉繼峰說(shuō)。
在搜尋黑洞的同時(shí)，郭守敬望遠(yuǎn)鏡也將繼續(xù)搜尋地外文明，通過(guò)探測(cè)系外行星宿主恒星及其性質(zhì)，加快系外行星的搜尋及對(duì)地外生命的探索等。
