星海“撒网” 围猎“黑洞之王”


  我国天文学家利用LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞LB-1的艺术想象图。喻京川/绘(新华社发)

  物理学家史蒂芬·霍金在其遗作《十问》中写道:“事实有时候比小说更奇妙,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙。”

  如今,一个恒星级黑洞被我国天文学家发现。11月28日,中国科学院国家天文台在北京宣布:该台刘继峰、张昊彤研究团队,依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜,发现一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞,这个黑洞质量约为太阳的70倍,远超理论预言的质量上限,堪称“恒星级黑洞之王”。

  同日凌晨,国际知名学术期刊《自然》在线发表了这一成果的论文。

  上亿个黑洞去哪儿了

  黑洞,是一种体积极小、质量极大的天体,如同一个宇宙“吞噬之口”。1915年,爱因斯坦提出广义相对论,之后,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出爱因斯坦场方程式的精确解,预示了黑洞的存在。

  自此,人类就从未停止对黑洞这种神秘天体的想象和探索。

  2015年,天文学家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黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”,让这个曾经“看不见摸不着”的天体有了相貌。

  黑洞为何让天文学家如此着迷?

  按照刘继峰的说法,黑洞最大的特点之一就是“密度出奇地大”。有多大?把10倍于太阳质量的恒星,压缩到直径为北京六环大小的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度。也因此,黑洞具有超强的吸引力,任何试图从它身边“逃离”的物质都以失败告终,就连速度最快的光也不例外。

  根据黑洞质量的不同,天文学家将黑洞大致分为100倍太阳质量以下的恒星级黑洞,100-10万倍太阳质量的中等质量黑洞,以及10万倍太阳质量以上的超大质量黑洞。

  这其中的恒星级黑洞,由大质量恒星死亡形成,是宇宙中广泛存在的“居民”。按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,然而,在过去几十年,人类只发现了约20个。

  “剩下的上亿个黑洞到底去哪儿了?”刘继峰告诉记者,这些黑洞本身不发光,天文学家要想在茫茫宇宙中寻找到它们,并不容易。

  他打了一个比方:黑洞虽然不发光,但当它与一颗正常恒星组成一个双星系统时,就会露出“狰狞”面目,以强大的“胃口”把恒星伴星上的气体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线,这些X射线就如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”。就是这一“照”,成为天文学家追寻黑洞踪迹强有力的线索。

  此前,银河系中几乎所有的恒星级黑洞,都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。过去的50年里,科学家用该种方法发现了约20个黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。

  “不过,当黑洞和它的伴星距离较远时,我们的‘大胃王’也会表现出平静温和的一面,那对于这些平静态的黑洞如何来搜寻?”刘继峰说。

  在发现如今这颗“黑洞之王”的过程中,中国天文学家给出了自己的答案。

  一颗“走路拉风”的恒星

  2016年年初,中科院国家天文台研究员、郭守敬望远镜科学巡天部主任张昊彤和中科院院士韩占文提出利用郭守敬望远镜观测双星光谱、开展双星系统的研究计划,并选择3000多个天体准备进行700多天的光谱监测。

  这其中,一颗“走路拉风”的B型星,引起了研究人员的关注:这颗蓝色恒星总是围绕一个“看不见的天体”做周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”,极有可能是一个黑洞。

  据刘继峰团队成员、中国科学院大学研究生郑传杰介绍,这条郭守敬望远镜“眼中”的B型星光谱,携带了非常丰富的信息,除了可以获取它的有效温度、表面重力、金属丰度等重要信息外,光谱中一条近乎静止的明线,给它增添了足够的神秘感。

  “这颗B型星背后会不会有故事,它到底在绕着看不见的‘谁’运动,莫非真的是黑洞?”郑传杰说。

  中国研究团队随即进行“确认”:为了搞清楚这颗特殊恒星背后的真相,他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜的21次观测,以及美国10米口径凯克望远镜的7次高分辨率观测,确认了这个双星系统的光谱性质:B型星约为8倍太阳质量,距离地球1.4万光年,而那个“看不见的天体”——质量约为太阳的70倍。

  “这么大的质量,它只能是黑洞。”刘继峰说。

  B型星背后的黑洞,就这样被天文学家发现。刘继峰说,最初得到这个结果,团队都感到意外,不敢相信,《自然》杂志审稿人也非常谨慎,提出很多问题,反复和中国团队确认。“最终还是这个结果,这意味着有关恒星演化形成黑洞的理论可能将被‘改写’,或者还有某种黑洞形成机制被人们忽视了。”

  “没有两年前茫茫星海的‘撒网’,便没有今天这个‘主角’的出现。”据中科院国家天文台高级工程师白仲瑞介绍,为了纪念郭守敬望远镜在发现这个巨大恒星级黑洞上作出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。

  与其他已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,这个黑洞对其伴星吸积非常微弱,是一个“平静温和”的恒星级黑洞“冠军”。

  踏入颠覆认知的理论禁区

  事实上,国际天文学界也从未停止对于黑洞的捕捉。

  从2015年起,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞。2017年,LIGO的3位主要成员雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什,还因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。

  不过,当前主流的恒星演化模型预言,在太阳金属丰度下,只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。如今,中国发现的这个70倍太阳质量的超级黑洞,已经进入该理论的禁区,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知。

  美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫·雷茨对中国这一成果评论道,“这一非凡的成果,将迫使天文学家‘改写’恒星级质量黑洞的形成模型,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

  值得一提的是,这个恒星级黑洞之王的发现,再一次证实了中国郭守敬望远镜强大的光谱获取能力。

  据张昊彤介绍,郭守敬望远镜拥有4000根光纤,相当于4000颗“眼睛”,一次能观测近4000个天体。今年3月,郭守敬望远镜公开发布了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”。

  刘继峰说,这个迄今为止最大质量的恒星级黑洞,也是郭守敬望远镜发现的第一个黑洞,它的出现标志着利用郭守敬望远镜巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。

  据他透露,接下来,中国团队将开展一个“黑洞猎手”计划,预计在未来5年内发现并测量近百个黑洞,并描画出一幅黑洞群像图。

  刘继峰说,借此天文学家有望再发现一批“深藏不露”的平静态黑洞,逐步揭开这个黑洞家族的“面纱”,开创黑洞批量发现的新纪元。


(责任编辑:杜格丽)
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