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新突破：中國天文學家首次發(fā)現(xiàn)雙星系統(tǒng)中的巨型黑洞

2019/11/28
導讀
作為最神秘詭異的天體，黑洞仍然隱藏著太多的未解之謎
中國科學家發(fā)現(xiàn)的巨型黑洞LB-1的藝術(shù)想象圖。中心黑色的點表示黑洞, 周圍紅色的圓盤代表截斷的吸積盤, 藍色圓表示伴星B型星。作者：喻京川
 
撰文 | 馬   超
責編 | 夏志堅
 
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浩瀚無垠的深空，蘊藏著無數(shù)神秘壯觀的天體，令人驚嘆神往。其中的黑洞，可以說是宇宙中最神秘、最令人著迷的天體之一了。
 
1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，從理論上最早預言了黑洞的存在。黑洞的引力場異常強大，以至于在距離黑洞特定范圍內(nèi)，連宇宙中傳播速度最快的光線都無法逃脫被吸食的命運，因此我們無法直接觀測到黑洞。
 
絕大多數(shù)小質(zhì)量黑洞是恒星死亡后的產(chǎn)物。當大質(zhì)量恒星（如20-30倍太陽質(zhì)量）演化到最后的垂死階段時，它的外層將不斷膨脹，演化為紅超巨星，半徑可達之前的數(shù)百倍；與此同時，內(nèi)層的中心物質(zhì)卻會發(fā)生強烈塌縮，密度越來越高，由此產(chǎn)生的引力場也越來越強。最后，整個星體將發(fā)生毀滅性的爆炸，即超新星爆發(fā)現(xiàn)象, 這是宇宙中最狂暴、最高能的現(xiàn)象之一，瞬間釋放的強大能量將恒星自身的絕大部分物質(zhì)猛烈地拋向宇宙空間，那璀璨的光芒甚至能超過它所屬的星系。天文學家將此比喻為“宇宙中最美麗的煙花”。
 
超新星爆炸藝術(shù)想象圖，圖源NASA
 
爆炸過后，中心殘留的致密核將在自身的引力作用下塌縮成黑洞（質(zhì)量更小的恒星死亡將形成中子星或者白矮星）。通過這種方式形成的黑洞，質(zhì)量通常小于25倍太陽質(zhì)量，但體積卻更小，因此引力場很強。
 
黑洞形成后會不斷吸積宇宙空間中的物質(zhì)，保持生長。科學家把這類黑洞稱為“ 恒星級黑洞”，它們廣泛存在于星系之中。
 
電影《星際穿越》中的恒星級黑洞。圖源：INTERSTELLAR/ R. HURT / CALTECH
 
另一種被廣泛研究的黑洞稱為 “超大質(zhì)量黑洞”（Supermassive black hole），其規(guī)模與前面的恒星級黑洞完全不在一個層次上：它們的質(zhì)量大得驚人，通常能達到太陽的數(shù)百萬到數(shù)十億倍，并且僅存在于星系中心。
 
例如，存在于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*，其質(zhì)量約為太陽的400多萬倍。它們是星系中真正的王者，深刻影響著整個星系的演化，猶如一臺星系級發(fā)動機。觀測證據(jù)表明，幾乎所有的大型星系中心都蘊藏著這么一個龐然大物。它們可以說是宇宙中最強大的吞噬巨獸，依靠其強大的引力，不停地吸積周圍環(huán)境中的物質(zhì)——盡管它們已經(jīng)足夠大，但仍在不斷的生長中。
 
存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。藝術(shù)想象圖。圖源：NASA
 
隨著觀測設(shè)備的不斷升級，2019年4月10日我們有幸成為歷史上首批目睹超大質(zhì)量黑洞真容的人類。在這之前，天文學家通過聯(lián)合運作位于全球各地的八臺射電望遠鏡，組建成了一架史無前例的超級虛擬望遠鏡，稱為 “事件視界望遠鏡”，其驚人的等效口徑相當于地球的直徑，并對位于巨橢圓星系M87中心處的超大質(zhì)量黑洞進行觀測。
 
該黑洞的質(zhì)量約為太陽的65億倍，距離我們5500萬光年之遙。經(jīng)過長達兩年的數(shù)據(jù)處理，最終得到了首張超大質(zhì)量黑洞的照片，可以說開啟了黑洞研究的新征程。
 
首張黑洞照片。圖源：Wikipedia

 

巨型黑洞現(xiàn)身

作為最神秘詭異的天體，黑洞仍然隱藏著太多的未解之謎，涉及多方面的物理學前沿問題。作為宇宙中理想的極端物理實驗室，21世紀探索黑洞注定將是最具挑戰(zhàn)性、最讓人激動的科學任務(wù)之一。在科學家們的不懈努力下，新的觀測成果正不斷涌現(xiàn)。

 
近日，由中國科學院國家天文臺研究員劉繼峰、張昊彤領(lǐng)導的科研團隊，利用包括郭守敬望遠鏡（全稱為“大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，英文縮寫為 LAMOST）在內(nèi)的一系列觀測設(shè)備的光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我們銀河系中的雙星系統(tǒng)LB-1中存在一個巨大的黑洞，質(zhì)量約為太陽的70倍，這是人類首次在雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)如此巨大的恒星級黑洞，這一發(fā)現(xiàn)極大挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的恒星演化理論。該工作于2019年11月28日發(fā)表于《自然》雜志。
 
迄今為止，所有的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線而被發(fā)現(xiàn)的。但LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，也就是說這個黑洞沒有在吸積伴星物質(zhì)，而且黑洞本身不發(fā)光，那要如何確認這顆黑洞的存在呢？
 
雙星中的黑洞正在吸食伴星的物質(zhì), 同時從垂直方向噴出一部分物質(zhì)，形成噴流。圖片來源：Wikimedia Commons
 
目前的普遍方式是研究它的發(fā)光伴星的運動特征和物理性質(zhì)，借此推斷黑洞自身的性質(zhì)。
 
研究人員通過分析LAMOST的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，LB-1系統(tǒng)中的發(fā)光伴星是一顆年輕的B型恒星，質(zhì)量約為太陽的8倍，年齡約為3500萬年，遠遠小于太陽的50億年。它與我們太陽系都位于銀盤中，距離地球約13000光年（反銀心方向）。
 
基于長達兩年的光譜觀測數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)這顆星存在周期性的徑向速度變化，通過擬合徑向運動曲線，得到其軌道周期約為79天，并推算出它身邊那個看不見的天體的質(zhì)量約為太陽的70倍，這說明那個隱藏天體只能是黑洞。這是首次在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量如此大的恒星級黑洞。

 

挑戰(zhàn)當前恒星演化模型

自2015年起，LIGO/Virgo 引力波探測裝置已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，但它們都距離銀河系十分遙遠。劉繼峰團隊的這一發(fā)現(xiàn)證實了銀河系內(nèi)也可以存在這類黑洞。同時也刷新了人們對于恒星級黑洞質(zhì)量范圍的認知。
 
同時這一結(jié)果對當前的恒星演化模型提出了挑戰(zhàn)。
 
根據(jù)模型計算，在太陽金屬豐度下，恒星所形成的黑洞質(zhì)量最高不會超過25倍太陽質(zhì)量。金屬豐度在天文學中指星體中那些比氫、氦元素更重的元素所占比例。普遍認為更大質(zhì)量的黑洞主要形成于低金屬豐度的環(huán)境中（通常要小于0.2倍太陽金屬豐度）。然而該研究卻發(fā)現(xiàn)雙星系統(tǒng)LB-1發(fā)光伴星的金屬豐度比太陽還要高（是太陽的1.2倍），對于這樣的環(huán)境，理論上無法形成質(zhì)量達太陽70倍的黑洞。這可能意味著最新的恒星演化理論需要修改，或者某些形成機制被我們忽視。
 
“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學家改寫恒星級質(zhì)量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里LIGO-Virgo探測到的雙黑洞并合事件一起推動我們對黑洞天體物理研究的復興。” LIGO天文臺臺長 David Reitze 評論說。

 

相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞？

另外，LB-1系統(tǒng)中的兩個天體圍繞彼此共同的中心運行，周期為79天。長周期也意味著兩天體之間的距離會很大，測量結(jié)果表明，LB-1是銀河系內(nèi)目前已知間距最大的黑洞-恒星組合。
 
這使得作者猜測這個黑洞可能不是來源于單個恒星的內(nèi)核塌縮，而是LB-1最初可能是一個三星系統(tǒng)，那個可觀測的B型伴星處于最外層軌道且質(zhì)量最小，兩顆質(zhì)量更大的恒星在靠近系統(tǒng)中心處形成緊密環(huán)繞的雙星（這是保證三星系統(tǒng)穩(wěn)定存活的必要條件）。由于大質(zhì)量恒星壽命更短，雙星系統(tǒng)很快壽終正寢，演化為相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞，最終并合。這要求單個黑洞質(zhì)量接近35倍太陽質(zhì)量，因此并未對黑洞形成理論形成很大挑戰(zhàn)。
 
兩顆黑洞即將并合，藝術(shù)想象圖。圖源：Wikipedia
 
作者甚至猜測那對黑洞可能還沒有并合，現(xiàn)在推算出的單一大質(zhì)量黑洞實際上很可能是緊密相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞。在這種情況下，該系統(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，也將成為研究三體系統(tǒng)中雙黑洞形成與演化的理想觀測目標。
 
研究還發(fā)現(xiàn)LB-1的雙星軌道近乎呈圓形，這為我們理解該系統(tǒng)的形成提供了重要啟發(fā)。圓形軌道表明LB-1屬于共同演化雙星，B型伴星并不是后期被黑洞引力俘獲所得。因為被俘獲的恒星通常呈現(xiàn)為很扁的橢圓軌道，雖然來自黑洞的潮汐扭矩可以將軌道逐漸圓化，但這是一個極度漫長的過程，所需要的時間遠遠超過該系統(tǒng)的年齡。

 

中國天文神器LAMOST

文章的通信作者之一、中國科學院國家天文臺LAMOST運行和發(fā)展中心研究員張昊彤強調(diào)，LB-1大質(zhì)量恒星級黑洞的發(fā)現(xiàn)證實了LAMOST強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000根光纖，每次能觀測近4000個天體，是目前世界上光譜獲取率最高的天文望遠鏡。巡天觀測七年來，獲取了 1125萬條光譜，為天文學家搜尋特殊天體、探索銀河系形成與演化等提供了最有力的數(shù)據(jù)支持。
 
LAMOST望遠鏡。圖源：http://lssf.cas.cn
 
“LAMOST是我國天文界第一個大科學裝置，經(jīng)過數(shù)年努力，已經(jīng)成為科學發(fā)現(xiàn)和研究工作的助推器，目前以此為基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)表文章500余篇，引用4000余次，還包括數(shù)篇 Nature 子刊和這篇 Nature 文章。簡言之，LAMOST已經(jīng)得到大家認可，也使大家意識到，大的科學就需要LAMOST這種大科學裝置。”劉繼峰在接受《知識分子》采訪時說。
 
劉繼峰同時表示，以更高精度和新的方法研究黑洞質(zhì)量，將是其團隊接下來的重點研究方向。“我們正在利用HARPS-N和CARMENES兩個用來探測系外行星的高精度光譜儀對LB-1進行后續(xù)觀測研究，描繪黑洞吸積盤并以更高精度測量黑洞質(zhì)量。同時, 結(jié)合視向速度觀測和蓋亞衛(wèi)星天體測量數(shù)據(jù)，使用另一個獨立方法來測量黑洞質(zhì)量。”
 
“此外，我們由八個跨院校團隊組成的黑洞小分隊在全力推進黑洞獵手計劃，準備五年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量近百個黑洞，五倍于現(xiàn)有恒星級黑洞，構(gòu)建大樣本黑洞質(zhì)量分布，以高顯著度看到黑洞樣本全貌，解答黑洞研究的諸多問題。” 劉繼峰補充說。


制版編輯 | 皮皮魚
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