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上億黑洞“深藏不露” 星海茫茫,捕捉“黑洞之王”

2019-12-04 10:21:50 來源:人民日報

LB—1藝術(shù)想象圖。

恒星級黑洞由大質(zhì)量恒星死亡形成,根據(jù)理論推算,上億個恒星量級的黑洞“潛行”于茫茫星海中,想要找到它們卻并不容易。

我國天文學家利用郭守敬望遠鏡,通過長時間、大范圍的監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞,約為70倍太陽質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn),有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新,也開辟了利用郭守敬望遠鏡巡天優(yōu)勢搜尋黑洞的新路徑。

近日,國際期刊《自然》在線發(fā)布了中國天文學家主導的一項重大成果:中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究員領(lǐng)導的研究團隊利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞。這是繼今年4月,黑洞首次展露“真顏”后,又一相關(guān)重大發(fā)現(xiàn)。

這顆70倍太陽質(zhì)量的超大恒星級黑洞遠超理論預言的質(zhì)量上限,顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,堪稱“黑洞之王”,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

上億黑洞“深藏不露”,尋找它們是難點

1915年愛因斯坦提出廣義相對論,德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解,預言了黑洞的存在,自此人類就沒有停止過對它的想象和探索。

神秘的黑洞是怎樣形成的?像宇宙萬物一樣,恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應燃料耗盡時,內(nèi)核會急劇坍縮,當其質(zhì)量大于約3倍太陽質(zhì)量時,便會坍縮為一個奇點,成為黑洞。由于其密度極高、引力超強,即便是光也無法從它身邊逃離。

按照其質(zhì)量不同,天文學家將黑洞大致分為三類:恒星級黑洞(100倍太陽質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100倍—10萬倍太陽質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬倍太陽質(zhì)量以上)。

劉繼峰說:“恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的,在宇宙中廣泛存在。根據(jù)理論推算,銀河系中應該存在著上億個恒星量級的黑洞。”

然而,想要在茫茫宇宙中尋找到它們卻并不容易。因為黑洞自身不發(fā)射和反射電磁波,儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

該怎么辦?天文學家們嘗試尋找各種間接證據(jù),經(jīng)過探索研究,發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象:黑洞會“吃東西”。它在接近一顆恒星組成雙星系統(tǒng)時,會以強大的“胃口”直接把對方的氣體物質(zhì)吸過來,形成吸積盤,并發(fā)射出明亮的X射線光。通過探測這些X射線光,可以判斷并選出黑洞候選體,再通過進一步監(jiān)測伴星的運動,可以測量黑洞的質(zhì)量并最終確認其存在。

劉繼峰介紹說,過去的50年里,天文學家通過這種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞,質(zhì)量均在3到20倍太陽質(zhì)量之間。

但是,按照理論預測,銀河系中應該有上億顆恒星級黑洞,而在黑洞雙星系統(tǒng)中,能夠發(fā)出X射線的只占一小部分。那么,“沉默”的大多數(shù)該如何被尋找到呢?于是,找到新方法,去發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大且沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

超大質(zhì)量黑洞,超出模型理論上限

2016年秋,國家天文臺領(lǐng)導的研究團隊利用郭守敬望遠鏡開展雙星課題研究,歷時兩年監(jiān)測了開普勒一個天區(qū)(K2—0)內(nèi)的3000多顆恒星。

在監(jiān)測過程中,有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關(guān)注:這顆8倍太陽質(zhì)量的藍色恒星,一直在圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動。

團隊成員、中國科學院大學研究生鄭傳杰說:“它的光譜攜帶了非常豐富的信息,除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外,光譜中還有一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的發(fā)射線,這點很不尋常。”

通過各種跡象,研究人員推測,那個被B型星圍繞的“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。

“根據(jù)多個望遠鏡的多次觀測,我們進一步確認了B型星的性質(zhì)。根據(jù)光譜信息,計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度,質(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量,年齡約為35百萬年,距離我們1.4萬光年。”鄭傳杰說:“接著,根據(jù)B型星和其光譜中那條‘特殊’發(fā)射線的速度振幅之比,計算出該雙星系統(tǒng)中存在一個質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體。質(zhì)量如此之大的,只能是黑洞。”

據(jù)劉繼峰回憶,最初得到結(jié)果時,所有人都不敢相信。因為,目前恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞,這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量已經(jīng)超出了理論范圍。

《自然》雜志的審稿人對此也非常謹慎,提出很多問題。研究團隊反復計算確認,“最終結(jié)果不變。這可能意味著有關(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制被忽視。”劉繼峰說。

而且,與其他已知的恒星級黑洞不同,這顆黑洞之前從未在任何X射線中被探測到過,它對其伴星吸積非常微弱,屬于之前所說的“沉默”的大多數(shù)。劉繼峰說:“這個重大發(fā)現(xiàn)還開辟了一條利用郭守敬望遠鏡的巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。”

巡天監(jiān)測,未來將描繪黑洞群像圖

值得一提的是,兩年半的監(jiān)測時間里,郭守敬望遠鏡共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。“如果利用一架普通4米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的幾率下,則需要40年的時間。”劉繼峰這樣比喻。

為了紀念郭守敬望遠鏡在發(fā)現(xiàn)這顆恒星級黑洞上做出的貢獻,天文學家給這個包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB—1。

LB—1的發(fā)現(xiàn)充分證實了郭守敬望遠鏡強大的光譜獲取能力。郭守敬望遠鏡擁有4000根光纖,好比長了4000只眼睛,一次能夠觀測近4000個天體。2019年3月,郭守敬望遠鏡公開發(fā)布了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目,被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

郭守敬望遠鏡的一個個科學發(fā)現(xiàn),讓天文學家得以重新審視銀河系:

利用郭守敬望遠鏡數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)人類居住的家園銀河系比之前認識的大了一倍,還精確稱量出銀河系的體重約為太陽質(zhì)量的9000億倍;銀河系暈的面貌被改寫,天文學家們發(fā)現(xiàn)銀暈是個內(nèi)扁外圓的“胖子”;此外,還發(fā)現(xiàn)了萬余顆貧金屬星,擁有了目前世界上最大、適合現(xiàn)有大望遠鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本;獲取了上百萬顆恒星的年齡,為銀河系演化研究提供了基礎數(shù)據(jù)……

此次這顆恒星級黑洞,是郭守敬望遠鏡發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞,它的出現(xiàn)將標志著利用郭守敬望遠鏡巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時代的到來。

據(jù)劉繼峰介紹,接下來,研究團隊計劃開展一個名為“黑洞獵手”的計劃,利用郭守敬望遠鏡巡天優(yōu)勢批量發(fā)現(xiàn)黑洞并測量黑洞質(zhì)量,“預計在未來5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量出近百個黑洞,并描繪出一幅黑洞群像畫。”劉繼峰說。

在搜尋黑洞的同時,郭守敬望遠鏡也將繼續(xù)搜尋地外文明,通過探測系外行星宿主恒星及其性質(zhì),加快系外行星的搜尋及對地外生命的探索等。