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黑洞捕手计划上线!LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞

出品:新浪科技《科学大家

撰文:

王松,中国科学院国家天文台助理研究员,主要从事黑洞双星和恒星活动性的研究

李双,中国科学院国家天文台工程师,LAMOST运行和发展中心宣传主管

陆由俊,中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学岗位教授,研究方向为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理和星系宇宙学

刘继峰,中国科学院国家天文台副台长、研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院常务副院长。研究方向包括致密双星,恒星活动性等

2019年11月28日,国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,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。

一、宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《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”。 1915年爱因斯坦提出广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解,预示了黑洞的存在。自此人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。

1965年,天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体;2015年,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”的诡异天体有了一丝亲和力。黑洞到底是什么,为何让一代代天文学家为之如此着迷?本身不发光,密度非常大(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),具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离,这种神奇的天体就是黑洞。因此可以说,黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

天文学家根据黑洞质量的不同,将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(100倍-10万倍太阳质量)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,是宇宙中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多(大于3倍太阳质量),多到既不能形成白矮星,也不能成为中子星,一旦进入死亡阶段,就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞,而在星系的中心存在着超大质量黑洞,比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

二、如何观测恒星级黑洞

黑洞神秘而又有趣,若龙潜深渊,隐藏爪牙,潜行于宇宙星海中。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,以强大的“胃口”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射线光(图一)。这些X射线光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强有力线索。然后,天文学家会通过监测伴星的运动,测量黑洞的质量,这适用于明亮伴星的黑洞系统。另一种方法是对于稀少的双黑洞,科学家主要通过引力波实验聆听时空的涟漪,进而推知黑洞并合事件。

迄今为止,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。过去的五十年里,人们用该种方法发现了约二十颗黑洞,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大质量死亡形成的恒星级黑洞,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。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(不吸积伴星气体)的黑洞如何来搜寻呢?天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

国家天文台领导的研究团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统,这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞?700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择了开普勒一个天区(K2-0)中的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,这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。

这条LAMOST“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且运行方向和B型星反相位的明线(Hα发射线)给这颗星增添了足够的神秘感。研究人员怀疑这颗B型星背后一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”运动?莫非真的是黑洞!天文学家在追逐宇宙真相的道路上从来都不会轻易放过任何一种可能。

为了进一步验证这颗特殊B型星背后的真相,研究人员随即申请了西班牙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。

根据光谱信息,研究人员计算出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。根据B型星和Hα发射线的速度振幅之比,研究人员计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体,它只能是黑洞。B型星背后的“大BOSS”就这样被天文学家挖了出来,这样的结果无疑是让人们兴奋和惊喜的,然而机遇永远都是留给有准备的人,没有两年前茫茫星海的“撒网”,也便没有今天这个“主角”的出现。

为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1(图三)。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,这颗黑洞和它的伴星相距较远(1.5倍日地距离)。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”。

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。

四、黑洞“冠军”的前世今生

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。

此次研究人员发现的这颗70倍太阳质量的超级黑洞不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞,同时刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知(图四)。

该论文第一作者刘继峰研究员介绍说,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。目前恒星演化理论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,因此,LB-1中黑洞的质量已经突破了现有恒星演化理论的“禁区”。这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。LIGO台长大卫。雷茨评论说,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级质量黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

另一种可能性,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。

五、 “光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就

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”(图五)。

先进设备促生新发现,本次研究中,我国自主研制的LAMOST起了不可替代的作用。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对开普勒一个天区的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。如果利用一架普通四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”,LAMOST这台“天文利器”助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”,而“黑洞之王”的现身也为“光谱之王”——LAMOST增添了更多精彩。

这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,也是LAMOST发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用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津津乐道的一段佳话。

六、黑洞捕手计划

LAMOST是我国科学家自主创新研制的一架主动反射施密特天文望远镜。它应用主动光学技术,实现了在观测中镜面曲面连续变化、不同瞬间是不同的施密特光学系统,突破了天文望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈,是世界上口径最大的大视场望远镜。

2019年3月,郭守敬望远镜巡天七年对外发布光谱1125万条,是世界上其它巡天项目发布光谱数之和的2倍。在银河系大规模光谱巡天方面,LAMOST首次实现了天区覆盖、巡天体积、采样密度及统计完备性等方面的重大突破,填补了中国大型天文基础数据的空白,为开展银河系特别是银盘的系统研究提供了极好的、具有传承价值的样本。

接下来,该研究团队将开展黑洞猎手计划:借助LAMOST继续观测其他四个天区,利用视向速度监测和天测数据结合的方法,预计五年内批量发现近百个黑洞,并测量出它们的质量,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,开创批量发现黑洞的新纪元。

问:LB-1为什么叫“黑洞之王”?

答:我们这次发现的黑洞有70个太阳质量,已经超过了现有理论所允许的最大质量的上限两倍有余。所以我们称它为“黑洞之王”。

问:它是宇宙中最大的黑洞吗?

答:黑洞有两类,一类是星系中心的超大质量黑洞;一类是恒星死亡形成的恒星级黑洞,这个黑洞是恒星级黑洞中最大的。

问:最小的黑洞有多小?

答:在宇宙形成的早期有一些原初的黑洞,这些黑洞可以非常小,小到一个原子大小。不过它们存在的时间也非常短,今天已经看不到了。

问:新发现的“黑洞之王”离我们有多远?

答:我们新发现的这个黑洞在银河系反银心的方向,离我们差不多是有14000光年的地方。

问:天文学家过去如何寻找黑洞?

答:一种是通过引力波探测器来聆听双黑洞并合驱动的时空震颤来倒推黑洞。另外一种是通过观察黑洞伴星的运动来倒推黑洞的存在。

问:LAMOST是怎样找黑洞的?

答:要想在几千个明亮的天体里面找到一个黑洞的话,你需要把这些天体看个遍,那我们LAMOST就有这个特殊的本事,能一次性的看几千个天体。我们在这些数以千计的天体里面发现了这个黑洞。

问:黑洞是只进不出吗?

答:一般我们会认为黑洞是大胃王,主要是是吞噬物质,但实际上,黑洞还有霍金辐射,霍金辐射可以把黑洞里的物质带走,造成黑洞物质的损失。

问:黑洞寿命多久,会死亡吗?

答:黑洞的质量是有损失的。原初的那些小黑洞,到现在已经基本蒸发殆尽了,寿终正寝了。当然,我们今天发现的这个黑洞,还有那些超大质量的黑洞,它们的寿命要比宇宙的寿命长得多。

问:黑洞会把宇宙吞噬掉吗?

答:我们说黑洞的强引力场,实际上是指只有在它离得近的时候才强,当离的远的时候,它其实跟一个一般的恒星,并没有什么太大区别,所以从这个意义上说,我们不用担心,黑洞是不会把宇宙吞噬进去的。

问:我们会为“黑洞之王”拍照片吗?

答:我们这次发现的黑洞是恒星级的黑洞,质量非常小,它的视界也非常小,相比于前一阵做过照片的超大质量、M87黑洞,它的视界要小的多的多,我们目前的技术还没有办法给它拍照片。如果非要做一个,跟我们此前看到的黑洞照片相比,连一个点儿都算不上,要小得多的多。(回答者:刘继峰 中国科学院国家天文台副台长、研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院常务副院长)

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