震撼！迄今最大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞露出神秘面紗

風(fēng)吟樓 2019-11-28

展開全文

北京時(shí)間2019年11月28日凌晨，國際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了我國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰研究員、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(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）巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新方法，這顆70倍太陽質(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，勢(shì)必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。

Part.1

宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《十問》中寫道，“事實(shí)有時(shí)候比小說更奇妙，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。本身不發(fā)光，密度非常大（把10倍于太陽質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中，這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度），具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)，包括速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以說，黑洞是名副其實(shí)的宇宙真空“吸光器”。

天文學(xué)家根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，將黑洞大致分為恒星級(jí)黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的。當(dāng)一顆恒星演化到最后剩下的質(zhì)量太多（大于3倍太陽質(zhì)量），多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進(jìn)入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恒星在引力的作用下持續(xù)塌縮，最終形成致密的黑洞。

黑洞神秘而有趣，它們?nèi)酏垵撋顪Y，隱藏爪牙，潛行于宇宙時(shí)空中。既然黑洞本身不發(fā)光，天文學(xué)家如何在茫茫宇宙中尋找它們呢？奈何它們身邊的小伙伴們實(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，以強(qiáng)大的胃口直接把恒星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線光，這些X射線光如同物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一 “照”成為天文學(xué)家過去這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索（圖一）。

圖一黑洞吸積噴射出X射線的藝術(shù)想象圖

（來自網(wǎng)絡(luò)）

迄今為止，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的二十多顆恒星級(jí)黑洞幾乎都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識(shí)別的，質(zhì)量均在3到20倍太陽質(zhì)量。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。長期以來，天文學(xué)家認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)X射線微弱的“平靜態(tài)”黑洞，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)恰好證實(shí)了這點(diǎn)。

Part.2

星星在繞“誰”運(yùn)動(dòng)？

國家天文臺(tái)劉繼峰研究員和張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(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)，這其中是否包含一顆深藏不露的黑洞呢？700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺(tái)韓占文院士提出利用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并選擇了開普勒一個(gè)天區(qū)（K2-0）中的3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年之久的光譜監(jiān)測(cè)。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，除了表現(xiàn)出規(guī)律地周期性運(yùn)動(dòng)，光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星相反的明線（Hα發(fā)射線）給這顆星增添了足夠的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星背后一定有故事，它到底在繞著看不見的“誰”運(yùn)動(dòng)？莫非真的是黑洞！??！

為了進(jìn)一步發(fā)掘這顆B型星背后的真相，研究人員申請(qǐng)了西班牙10.4米口徑加納利大望遠(yuǎn)鏡(GTC)和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck）的光譜觀測(cè)，確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。通過擬合B型星和Hα發(fā)射線的速度曲線（圖二），結(jié)合B型星的質(zhì)量大?。?倍太陽質(zhì)量），研究人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。B型星背后的“大BOSS”就這樣被天文學(xué)家挖了出來，這樣的結(jié)果無疑是讓人興奮的，然而機(jī)遇永遠(yuǎn)都是留給有準(zhǔn)備的人，沒有兩年前茫茫星海的“撒網(wǎng)”，也便沒有今天這個(gè)“主角”的出現(xiàn)。

圖二 LB-1系統(tǒng)中B型星和黑洞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和速度曲線

為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(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LB-1。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠(yuǎn)（1.5倍日地距離），是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級(jí)黑洞 “冠軍”。

圖三 LB-1的藝術(shù)想象圖

（喻京川繪)

從2015年起，美國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)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的恒星級(jí)黑洞。這顆銀河系內(nèi)70倍太陽質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)，再一次刷新了人類對(duì)于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知。

圖四 LB-1和引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布

劉繼峰研究員介紹說，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環(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化理論預(yù)言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞，而這顆新發(fā)現(xiàn)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)”。LIGO臺(tái)長大衛(wèi)·雷茨評(píng)論，“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(xué)家改寫恒星級(jí)黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里美國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）探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興”。

Part.3

“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就

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（光纖），一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體，2019年LAMOST成為全球首個(gè)突破千萬的光譜巡天項(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”。

在這顆超級(jí)黑洞的發(fā)現(xiàn)過程中，LAMOST歷時(shí)兩年對(duì)一個(gè)天區(qū)內(nèi)的3000多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)間約40小時(shí)。如果利用一架普通四米口徑望遠(yuǎn)鏡專門來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間！這充分體現(xiàn)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡超高的觀測(cè)效率！

作者簡介

本站是提供個(gè)人知識(shí)管理的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，不代表本站觀點(diǎn)。請(qǐng)注意甄別內(nèi)容中的聯(lián)系方式、誘導(dǎo)購買等信息，謹(jǐn)防詐騙。如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊一鍵舉報(bào)。

轉(zhuǎn)藏 分享

QQ空間 QQ好友新浪微博微信

獻(xiàn)花（0） +1

來自：風(fēng)吟樓 > 《科學(xué)》

舉報(bào)/認(rèn)領(lǐng)