發(fā)現(xiàn)迄今最大黑洞 有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新

圖為L(zhǎng)B-1的藝術(shù)想象圖（喻京川繪) 國家天文臺(tái)供圖

新華網(wǎng)北京11月28日電（王瑩）記者從中國科學(xué)院國家天文臺(tái)獲悉，依托我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞，這顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。成果于北京時(shí)間11月28日凌晨，在國際科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表。

黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體。任何物質(zhì)，包括光也無法從它身邊逃離。根據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞一般分為恒星級(jí)黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。其中，恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

在28日舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，論文第一作者、劉繼峰研究員介紹，理論預(yù)言銀河系中有上億顆恒星級(jí)黑洞，但迄今為止，天文學(xué)家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級(jí)黑洞——而且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)量均小于20倍太陽質(zhì)量的黑洞。“在這樣的背景下，找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。”

記者了解到，從2016年秋季開始，國家天文臺(tái)領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時(shí)兩年監(jiān)測(cè)了銀河系一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)（LB-1）中，一顆8倍太陽質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個(gè)“看不見的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)。不同尋常的光譜特征表明，那個(gè)“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步確認(rèn)了LB-1的光譜性質(zhì)，計(jì)算出該黑洞的質(zhì)量大約是太陽的70倍。

圖為L(zhǎng)B-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 國家天文臺(tái)供圖

“這樣的結(jié)果讓當(dāng)時(shí)的我們不敢相信”，據(jù)劉繼峰介紹，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（低于1/5太陽金屬豐度）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，此次發(fā)現(xiàn)70倍于太陽質(zhì)量的黑洞，顯然已經(jīng)突破了現(xiàn)有恒星演化理論。

對(duì)此，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）臺(tái)長(zhǎng)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”。

圖為L(zhǎng)AMOST望遠(yuǎn)鏡與星空   國家天文臺(tái)供圖

值得關(guān)注的是，此次研究成果的獲得，LAMOST功不可沒。據(jù)國家天文臺(tái)高級(jí)工程師白仲瑞介紹，LAMOST擁有4000顆“眼睛”（4000根光纖），一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜，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”。

在歷時(shí)兩年的監(jiān)測(cè)里，LAMOST共為這項(xiàng)研究做了26次觀測(cè)，累積曝光時(shí)間約40個(gè)小時(shí)。劉繼峰表示，如果利用一架普通四米口徑望遠(yuǎn)鏡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)出LAMOST超高的觀測(cè)效率。“這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞。接下來，利用LAMOST極高的觀測(cè)效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)更多‘深藏不露’的黑洞。”