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新突破:中国天文学家首次发现双星系统中的巨型黑洞

撰文 | 马 超 责编 | 夏志坚
浩瀚无垠的深空,蕴藏着无数神秘壮观的天体,令人惊叹神往。其中的黑洞,可以说是宇宙中最神秘、最令人着迷的天体之一了。
中国科学家发现的巨型黑洞的艺术想象图。中心黑色的点表示黑洞, 周围红色的圆盘代表截断的吸积盘, 蓝色圆表示伴星B型星。作者:喻京川
 
1915年,爱因斯坦发表广义相对论,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,从理论上预示了黑洞的存在。黑洞的引力场异常强大,以至于在距离黑洞特定范围内,连宇宙中传播速度最快的光线都无法逃脱被吸食的命运,因此我们无法直接观测到黑洞。
 
绝大多数小质量黑洞是恒星死亡后的产物。当大质量恒星(如20-30倍太阳质量)演化到最后的垂死阶段时,它的外层将不断膨胀,演化为红超巨星,半径可达之前的数百倍;与此同时,内层的中心物质却会发生强烈坍缩,密度越来越高,由此产生的引力场也越来越强。最后,整个星体将发生毁灭性的爆炸,即超新星爆发现象, 这是宇宙中最狂暴、最高能的现象之一,瞬间释放的强大能量将恒星自身的绝大部分物质猛烈地抛向宇宙空间,那璀璨的光芒甚至能超过它所属的星系。天文学家将此比喻为“宇宙中最美丽的烟花”。
 
 
爆炸过后,中心残留的致密核将在自身的引力作用下坍缩成黑洞(质量更小的恒星死亡将形成中子星或者白矮星)。黑洞形成后会不断吸积宇宙空间中的物质,保持生长。科学家把这类黑洞称为“ 恒星级黑洞”,它们广泛存在于星系之中。
 
 
另一种被广泛研究的黑洞称为 “超大质量黑洞”(Supermassive black hole),其规模与前面的恒星级黑洞完全不在一个层次上:它们的质量大得惊人,通常能达到太阳的数百万到数十亿倍,并且仅存在于星系中心。
 
例如,存在于我们银河系中心的超大质量黑洞人马座A*,其质量约为太阳的400多万倍。它们是星系中真正的王者,深刻影响着整个星系的演化,犹如一台星系级发动机。观测证据表明,几乎所有的大型星系中心都蕴藏着这么一个庞然大物。它们可以说是宇宙中最强大的吞噬巨兽,依靠其强大的引力,不停地吸积周围环境中的物质——尽管它们已经足够大,但仍在不断的生长中。
 
 
巨型黑洞现身
 
作为最神秘诡异的天体,黑洞仍然隐藏着太多的未解之谜,涉及多方面的物理学前沿问题。作为宇宙中理想的极端物理实验室,21世纪探索黑洞注定将是最具挑战性、最让人激动的科学任务之一。在科学家们的不懈努力下,新的观测成果正不断涌现。
 
近日,由中国科学院国家天文台研究员刘继峰、张昊彤领导的科研团队,利用包括郭守敬望远镜(全称为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”,英文缩写为 LAMOST)在内的一系列观测设备的光谱数据,发现我们银河系中的双星系统LB-1中存在一个巨大的黑洞,质量约为太阳的70倍,这是人类首次在双星系统中发现如此巨大的恒星级黑洞,这一发现极大挑战了现有的恒星演化理论。该工作于2019年11月28日发表于《自然》杂志。
 
迄今为止,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射线而被发现的。但LB-1是一个X射线辐射宁静的双星系统,也就是说这个黑洞没有在吸积伴星物质,或者吸积很微弱,而且黑洞本身不发光,那要如何确认这颗黑洞的存在呢?
 
 
研究人员利用了一种不同的观测技术来寻找这种类型的黑洞。如果一颗恒星绕着一个看不见的天体转动,而这个天体的质量大于3倍太阳质量,那么黑洞就潜伏在那里。这项技术最早是由英国学者约翰·米歇尔在1783年提出,但只有在最近随着望远镜和探测器新技术的发展才变得可行。
 
研究人员通过分析LAMOST的观测数据发现,有一颗B型星存在周期性的径向速度变化,光谱中还显示一条近乎静止且与B型星反向运行的Hα发射线,后者很可能来自一颗隐藏的黑洞!同时,研究人员估计这颗B型星的质量约为太阳的8倍,年龄约为3500万年,远远小于太阳的50亿年。它与我们太阳系都位于银盘中,距离地球约14000光年(反银心方向)。
 
基于长达两年的光谱观测数据,研究人员通过拟合径向速度曲线,得到了B型星轨道周期约为79天,估计了B型星和Hα发射线的速度曲线振幅之比(约为8),最终推算出它身边那个看不见的天体的质量约为太阳的70倍,这说明那个隐藏天体只能是黑洞。这是首次在银河系内发现质量如此大的恒星级黑洞。
 
挑战当前恒星演化模型
 
自2015年起,LIGO/Virgo 引力波探测装置已经发现了几十倍太阳质量的黑洞,但它们都距离银河系十分遥远。刘继峰团队的这一发现证实了银河系内也可以存在这类黑洞。同时也刷新了人们对于恒星级黑洞质量范围的认知。
 
同时这一结果对当前的恒星演化模型提出了挑战。
 
根据理论预言,在太阳金属丰度下,恒星所形成的黑洞质量最高不会超过25倍太阳质量。金属丰度在天文学中指星体中那些比氢、氦元素更重的元素所占比例。普遍认为更大质量的黑洞主要形成于低金属丰度的环境中(通常要小于0.2倍太阳金属丰度)。然而该研究却发现双星系统LB-1发光伴星的金属丰度比太阳还要高(是太阳的1.2倍),对于这样的环境,理论上无法形成质量达太阳70倍的黑洞。这可能意味着最新的恒星演化理论需要修改,或者某些形成机制被我们忽视。
 
“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-Virgo探测到的双黑洞并合事件一起推动我们对黑洞天体物理研究的复兴。” LIGO天文台台长 David Reitze 评论说。
 
相互绕转的双黑洞?
 
另外,LB-1系统中的两个天体围绕彼此共同的中心运行,周期为79天。长周期也意味着两天体之间的距离会很大,测量结果表明,LB-1是银河系内目前已知间距最大的黑洞-恒星组合。
 
这使得作者猜测这个黑洞可能不是来源于单个恒星的内核坍缩,而是LB-1最初可能是一个三星系统,那个可观测的B型伴星处于最外层轨道且质量最小,两颗质量更大的恒星在靠近系统中心处形成紧密环绕的双星(这是保证三星系统稳定存活的必要条件)。由于大质量恒星寿命更短,双星系统很快寿终正寝,演化为相互绕转的双黑洞,最终并合。
 
 
作者甚至猜测那对黑洞可能还没有并合,现在推算出的单一大质量黑洞实际上很可能是紧密相互绕转的双黑洞。在这种情况下,该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体,也将成为研究三体系统中双黑洞形成与演化的理想观测目标。
 
研究还发现LB-1的双星轨道近乎呈圆形,这为我们理解该系统的形成提供了重要启发。圆形轨道表明LB-1属于共同演化双星,B型伴星并不是后期被黑洞引力俘获所得。因为被俘获的恒星通常呈现为很扁的椭圆轨道,虽然来自黑洞的潮汐扭矩可以将轨道逐渐圆化,但这是一个极度漫长的过程,所需要的时间远远超过该系统的年龄。
 
中国天文神器LAMOST
 
文章的通讯作者之一、中国科学院国家天文台LAMOST运行和发展中心研究员张昊彤强调,LB-1大质量恒星级黑洞的发现证实了LAMOST强大的光谱获取能力。LAMOST拥有4000根光纤,每次能观测近4000个天体,是目前世界上光谱获取率最高的天文望远镜。巡天观测七年来,获取了 1125万条光谱,为天文学家搜寻特殊天体、探索银河系形成与演化等提供了最有力的数据支持。
 
 
“LAMOST是我国天文界第一个大科学装置,经过数年努力,已经成为科学发现和研究工作的助推器,目前以此为基础,已经发表文章500余篇,引用5000余次,还包括数篇 Nature 子刊和这篇 Nature 文章。简言之,LAMOST已经得到大家认可,也使大家意识到,大的科学就需要LAMOST这种大科学装置。”刘继峰在接受《知识分子》采访时说。
 
刘继峰同时表示,以更高精度和新的方法研究黑洞质量,将是其团队接下来的重点研究方向。“我们正在利用HARPS-N和CARMENES两个用来探测系外行星的高精度光谱仪对LB-1进行后续观测研究,描绘黑洞吸积盘并以更高精度测量黑洞质量。同时, 结合视向速度观测和盖亚卫星天体测量数据,使用另一个独立方法来测量黑洞质量。”
 
“此外,我们由八个跨院校团队组成的黑洞小分队在全力推进黑洞猎手计划,准备五年内发现并测量近百个黑洞,五倍于现有恒星级黑洞,构建大样本黑洞质量分布,以高显著度看到黑洞样本全貌,解答黑洞研究的诸多问题。” 刘继峰补充说。



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