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质量超理论上限的它 揭示黑洞另一种存在方式

2019-12-03 07:58 来源:科技日报 本报记者 高 博

  近日,国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了一项重大发现,中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤的研究团队发现了迄今为止最大质量的恒星级黑洞,并提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)的巡天优势寻找黑洞的新方法。

  这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

  过去只能找到“暴力”的黑洞

  霍金在其最后的著作《十问》中写道,“黑洞比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。黑洞本身不发光,密度非常大,相当于把10倍太阳质量的恒星压缩到北京六环大小的球体中,具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质、就连光也无法逃离。黑洞是宇宙的“吸光器”。

  黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(约100到10万倍太阳质量之间)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的。一颗恒星走到生命尽头,如果剩下的质量大于3倍太阳质量,既不能形成白矮星,也不能成为中子星,就没有任何力量可以阻止终极引力让其塌缩成黑洞。

  龙潜深渊,隐藏爪牙。黑洞本身不发光,天文学家很难在茫茫宇宙中看到它。

  奈何黑洞身边的小伙伴们实在是太高调,周边吸积盘或者伴星都表现出异样的“气场”。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,直接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”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的线索。

  迄今为止,银河系中几乎所有已知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,人们用该种方法发现了约20颗黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。银河内有数以千亿计的恒星,按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,而在黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的只占一小部分。

  两年监测发现“走路拉风”的天体

  刘继峰和张昊彤的团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统。700多天的追逐之路饱含艰辛和精彩。

  2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤和中国科学院云南天文台院士韩占文提出利用LAMOST观测双星光谱,并选择了3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其中有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注。

  除了获取它的有效温度、表面重力、金属丰度等重要信息外,其光谱中一条近乎静止且运行方向和B型星反相位的明线(Hα发射线)给这个天体增添了十足的神秘感。研究人员怀疑这颗B型星“背后有人”。

  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B型星的性质。

  B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度,质量约为8倍太阳质量,年龄约为35百万年,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,其伴星应该一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体,它只能是黑洞。

  LB-1黑洞从未在任何X射线观测中被探测到。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测,发现这颗新发现的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”。

  特殊金属丰度指向理论“禁区”

  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。

  但是,新发现的这颗70倍太阳质量的超级黑洞,确认了银河系存在着更大质量的恒星级黑洞,刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知。

  恒星有个属性叫金属丰度,指的是非氢氦元素在恒星中的比值。论文第一作者刘继峰介绍说,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中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

  现有理论认为,恒星在形成黑洞前,会吹出星风丧失物质,因此恒星级黑洞不会特别重。宇宙中最重的恒星大概只有几百个太阳质量,理论预言其演化晚期形成的黑洞最大也就20多个太阳质量。之前发现的黑洞都没超过这个量级。

  LB-1的发现可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

  另一种可能性是,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,是质量最小的组成部分,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。

  “光谱之王”和“黑洞之王”彼此成就

  天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1,是为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上作出的贡献。

  这颗“黑洞之王”的发现充分证实了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”。

  从2016年11月开始,为了发现和研究光谱双星,研究人员利用LAMOST对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。如果利用一架普通4米望远镜专门来寻找这样一颗黑洞(一年观测365天,每天观测8小时),同样的几率下,则需要40年的时间!这充分体现出LAMOST超高的观测效率!

  “工欲善其事必先利其器”,这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。

  相信“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就将成为天文界的一段佳话。

  LB-1是一个X射线辐射宁静的双星系统,利用常规X射线方法搜寻这类黑洞是行不通的。长期以来,人们认为径向速度监测可以发现平静态的黑洞双星,这颗迄今最大质量黑洞的发现证实了这一点。利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法,相信天文学家将会发现一批深藏不露的平静态黑洞, 从而逐步揭开这个“黑暗家族”的内幕,为研究黑洞成员的形成演化以及质量分布迈出标志性的一步。就像LIGO台长大卫·雷茨评论的,LB-1的发现将推动黑洞天体物理研究的复兴。

(责任编辑:王蔚)

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