中国发现黑洞之王的背后

2019-11-29 09:33:41 来源: 快速时时彩-大发时时彩开奖日报 作者: 高博

快速时时彩-大发时时彩开奖日报记者 高博

11月28日凌晨,《自然》在线发布了中国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤的研究团队发现了一颗迄今最大质量的恒星级黑洞。

这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言上限,颠覆了相关认知,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。它还开辟了一条利用郭守敬望远镜(LAMOST)的巡天优势寻找黑洞的新路。


LB-1的艺术想象图 (喻京川绘)


过去要抓现行“家暴犯”

黑洞分为恒星级黑洞(不到100倍太阳质量)、中等质量黑洞(100-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是大质量恒星的“木乃伊”,宇宙中有很多。一颗恒星临终时如果太重(大于3倍太阳质量),就没有任何力量可以阻止它在自身引力下塌缩成致密的黑洞。

黑洞密度超大,相当于10个太阳重的恒星,压缩为圆周为北京六环大小的一个球。因此引力也超强,身边的物质包括光都无法逃离。银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的大黑洞。

黑洞不发光,怎么能看到它?通过黑洞的“家暴”证据。黑洞接近一颗恒星,施展吸星大法,撕扯掉对方的气体物质,形成吸积盘,并射出明亮的X射线光——那是物质被黑洞吞噬前的“回光返照”。迄今,银河系中几乎所有恒星级黑洞都是这样找到的。(还有一个新方法是观察两个黑洞合并形成的引力波)

过去五十年,X射线暴露了约二十颗黑洞,均在3到20倍太阳质量之间。银河里应该有上亿颗恒星级黑洞。可黑洞双星系统中发X射线的只占少数。那些温柔的黑洞就很难被找到。


LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布


怪星身旁的怪黑洞

2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出:用LAMOST观测双星系统。他们选择了开普勒一个天区(K2-0)中的3000多个天体,进行两年的监测。他们偶然发现,有一颗B型星很惹眼:它规律地周期性运动,还有不同寻常的光谱。

顺便解释一下:光谱好比恒星的条形码,有的星在紫色光波段能量很强,有的在蓝光波段能量强,有的在红外波段能量强……从光谱可以算出恒星的各种隐私信息。

那个B型星的光谱中有一条近乎静止,且和B型星反相位运行的明线(Hα发射线)。根据这条线,科学家怀疑它绕着一个看不见的东西转动,可能是黑洞。为验明正身,研究者申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜(GTC)的21次观测和美国10米凯克望远镜(Keck)的7次高分辨率观测,进一步确认了这颗B型星的性质。

科学家算出,这颗B型星的金属丰度(也就是除了氢和氦以外的元素的多寡)约为太阳的1.2倍,质量约为太阳的8倍,距离我们1.4万光年。根据B型星和Hα发射线的速度振幅之比,可以算出:有一个60-80倍太阳质量的大家伙,它只能是黑洞。这也是迄今发现的最大恒星型黑洞。

为表彰LAMOST,天文学家给这个黑洞双星系统命名为LB-1。与已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中现身。这颗黑洞和它的伴星相距较远(1.5倍日地距离)。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测,发现这颗新黑洞对其伴星的吸取非常微弱,是一个平静温和的好伴侣。



LAMOST望远镜和星空(国家天文台供图)


新发现惹人生疑

从2015年起,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞,质量远高于先前已知的银河系里的恒星级黑洞。而研究人员发现的这颗70倍太阳质量的超级黑洞不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞,同时刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知。

“出人意料!不敢相信!”该论文第一作者刘继峰研究员回忆道。研究者们三年来反复检查和推敲;审稿过程也无比严格。排除所有可能性后,确证了这个大黑洞。

刘继峰介绍说,一般模型认为大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。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,因此,LB-1的发现,意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

另一种可能性,LB-1中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩形成的。研究人员猜想:LB-1最初是一个三体系统,观测到的B型星位于最外轨道,是质量最小的一个成员,而现在的黑洞是由最初内部的双星形成的双黑洞并合而成。在这种情形下,该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体,并为研究三体系统中双黑洞形成提供了独一无二的实验室。


发布会现场


多谢LAMOST的超能力

“奇异黑洞”的发现,显示出LAMOST望远镜强大的光谱获取能力。LAMOST拥有4000颗眼睛(4000根光纤),一次能观测近4000个天体。2019年3月,LAMOST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”。

此次研究中, LAMOST对开普勒一个天区的3000多颗恒星历时两年进行了26次观测,累计曝光时间约40小时。而一架普通四米望远镜干同样的活(每天观测8小时),需要40年。

这颗迄今最大质量的恒星级黑洞,是LAMOST发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。预计未来五年,可能会发现近百个新黑洞!

1960年代时,人们曾尝试过用“径向速度监测”发现平静态的黑洞双星,但由于技术“原始”而失败。今天,感谢LAMOST的大规模巡天优势和速度监测,平静的黑洞们必将走出阴影,揭开黑暗家族的内幕。

LIGO台长大卫.雷茨评论说,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级质量黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

霍金曾写过:“黑洞比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。

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,预示了黑洞的存在。1965年,天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体;2015年,首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据;2019年,天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了首张黑洞照片……

今天,中国学者的成果,给黑洞的黑历史添上了浓墨重彩的一笔。

(本文科学材料由国家天文台提供)





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责任编辑:陈可轩