質(zhì)量超理論上限的它 揭示黑洞另一種存在方式

近日，國(guó)際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，并提供了一種利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新方法。

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)言上限，顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，勢(shì)必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。

過(guò)去只能找到“暴力”的黑洞

霍金在其最后的著作《十問(wèn)》中寫道，“黑洞比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。黑洞本身不發(fā)光，密度非常大，相當(dāng)于把10倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星壓縮到北京六環(huán)大小的球體中，具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過(guò)的物質(zhì)、就連光也無(wú)法逃離。黑洞是宇宙的“吸光器”。

黑洞大致分為恒星級(jí)黑洞（100倍太陽(yáng)質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（約100到10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量之間）和超大質(zhì)量黑洞（10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的。一顆恒星走到生命盡頭，如果剩下的質(zhì)量大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量，既不能形成白矮星，也不能成為中子星，就沒(méi)有任何力量可以阻止終極引力讓其塌縮成黑洞。

龍潛深淵，隱藏爪牙。黑洞本身不發(fā)光，天文學(xué)家很難在茫茫宇宙中看到它。

奈何黑洞身邊的小伙伴們實(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(chǎng)”。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，直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過(guò)來(lái)，形成吸積盤，發(fā)出“明亮”的X射線。這些X射線如同這些物質(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(guò)去這些年追尋黑洞蹤跡的線索。

迄今為止，銀河系中幾乎所有已知的恒星級(jí)黑洞都是通過(guò)黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來(lái)識(shí)別的。過(guò)去的50年里，人們用該種方法發(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。銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，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射線輻射的只占一小部分。

兩年監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)“走路拉風(fēng)”的天體

劉繼峰和張昊彤的團(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)。700多天的追逐之路飽含艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤和中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)院士韓占文提出利用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，并選擇了3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年的光譜監(jiān)測(cè)。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。

除了獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，其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）給這個(gè)天體增添了十足的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星“背后有人”。

西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡(GTC)的21次觀測(cè)和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck）的7次高分辨率觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。

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。根據(jù)B型星和Hα發(fā)射線的速度振幅之比，其伴星應(yīng)該一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽(yáng)質(zhì)量的不可見(jiàn)天體，它只能是黑洞。

LB-1黑洞從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到。研究人員用美國(guó)錢德拉X射線天文臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)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”。

特殊金屬豐度指向理論“禁區(qū)”

從2015年起，美國(guó)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(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽(yáng)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。

但是，新發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的超級(jí)黑洞，確認(rèn)了銀河系存在著更大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，刷新了人類對(duì)于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知。

恒星有個(gè)屬性叫金屬豐度，指的是非氫氦元素在恒星中的比值。論文第一作者劉繼峰介紹說(shuō)，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(yáng)金屬豐度）環(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽(yáng)金屬豐度相近的B型星。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，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)”。

現(xiàn)有理論認(rèn)為，恒星在形成黑洞前，會(huì)吹出星風(fēng)喪失物質(zhì)，因此恒星級(jí)黑洞不會(huì)特別重。宇宙中最重的恒星大概只有幾百個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，理論預(yù)言其演化晚期形成的黑洞最大也就20多個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。之前發(fā)現(xiàn)的黑洞都沒(méi)超過(guò)這個(gè)量級(jí)。

LB-1的發(fā)現(xiàn)可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被改寫，或者以前某種黑洞形成機(jī)制被忽視。

另一種可能性是，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(cè)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(wú)二的實(shí)驗(yàn)室。

“光譜之王”和“黑洞之王”彼此成就

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，是為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上作出的貢獻(xiàn)。

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(cè)近4000個(gè)天體。

2019年3月，LAMOST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”。

從2016年11月開(kāi)始，為了發(fā)現(xiàn)和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對(duì)3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)間約40小時(shí)。如果利用一架普通4米望遠(yuǎn)鏡專門來(lái)尋找這樣一顆黑洞（一年觀測(cè)365天，每天觀測(cè)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(cè)效率！

“工欲善其事必先利其器”，這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)搜尋黑洞新時(shí)代的到來(lái)。

相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界的一段佳話。

LB-1是一個(gè)X射線輻射寧?kù)o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(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)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(shì)和速度監(jiān)測(cè)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(kāi)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。就像LIGO臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論的，LB-1的發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興。