新突破：中國天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)雙星系統(tǒng)中的巨型黑洞
中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的巨型黑洞的藝術(shù)想象圖。 中心黑色的點表示黑洞, 周圍紅色的圓盤代表截斷的吸積盤, 藍(lán)色圓表示伴星B型星。 作者： 喻京川 浩瀚無垠的深空，蘊藏著無數(shù)神秘壯觀的天體，令人驚嘆神往。 其中的黑洞，可以說是宇宙中最神秘、最令人著迷的天體之一了。 1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場方程式的一個精確解，從理論上預(yù)示了黑洞的存在。 黑洞的引力場異常強大，以至于在距離黑洞特定范圍內(nèi)，連宇宙中傳播速度最快的光線都無法逃脫被吸食的命運，因此我們無法直接觀測到黑洞。 絕大多數(shù)小質(zhì)量黑洞是恒星死亡后的產(chǎn)物。 當(dāng)大質(zhì)量恒星 （如20-30倍太陽質(zhì)量） 演化到最后的垂死階段時，它的外層將不斷膨脹，演化為紅超巨星，半徑可達(dá)之前的數(shù)百倍； 與此同時，內(nèi)層的中心物質(zhì)卻會發(fā)生強烈坍縮，密度越來越高，由此產(chǎn)生的引力場也越來越強。 最后，整個星體將發(fā)生毀滅性的爆炸，即超新星爆發(fā)現(xiàn)象, 這是宇宙中最狂暴、最高能的現(xiàn)象之一，瞬間釋放的強大能量將恒星自身的絕大部分物質(zhì)猛烈地拋向宇宙空間，那璀璨的光芒甚至能超過它所屬的星系。 天文學(xué)家將此比喻為“宇宙中最美麗的煙花”。 爆炸過后，中心殘留的致密核將在自身的引力作用下坍縮成黑洞 （質(zhì)量更小的恒星死亡將形成中子星或者白矮星） 。 黑洞形成后會不斷吸積宇宙空間中的物質(zhì)，保持生長。 科學(xué)家把這類黑洞稱為“ 恒星級黑洞”，它們廣泛存在于星系之中。 電影《星際穿越》中的恒星級黑洞。 圖源： INTERSTELLAR/ R. HURT / CALTECH 另一種被廣泛研究的黑洞稱為 “超大質(zhì)量黑洞” （Supermassive black hole） ，其規(guī)模與前面的恒星級黑洞完全不在一個層次上： 它們的質(zhì)量大得驚人，通常能達(dá)到太陽的數(shù)百萬到數(shù)十億倍，并且僅存在于星系中心。 例如，存在于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座A*，其質(zhì)量約為太陽的400多萬倍。 它們是星系中真正的王者，深刻影響著整個星系的演化，猶如一臺星系級發(fā)動機。 觀測證據(jù)表明，幾乎所有的大型星系中心都蘊藏著這么一個龐然大物。 它們可以說是宇宙中最強大的吞噬巨獸，依靠其強大的引力，不停地吸積周圍環(huán)境中的物質(zhì)——盡管它們已經(jīng)足夠大，但仍在不斷的生長中。 存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。 藝術(shù)想象圖。 圖源： NASA 作為最神秘詭異的天體，黑洞仍然隱藏著太多的未解之謎，涉及多方面的物理學(xué)前沿問題。 作為宇宙中理想的極端物理實驗室，21世紀(jì)探索黑洞注定將是最具挑戰(zhàn)性、最讓人激動的科學(xué)任務(wù)之一。 在科學(xué)家們的不懈努力下，新的觀測成果正不斷涌現(xiàn)。
近日，由中國科學(xué)院國家天文臺研究員劉繼峰、張昊彤領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊，利用包括郭守敬望遠(yuǎn)鏡 （全稱為“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，英文縮寫為 LAMOST） 在內(nèi)的一系列觀測設(shè)備的光譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)我們銀河系中的雙星系統(tǒng)LB-1中存在一個巨大的黑洞，質(zhì)量約為太陽的70倍，這是人類首次在雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)如此巨大的恒星級黑洞，這一發(fā)現(xiàn)極大挑戰(zhàn)了現(xiàn)有的恒星演化理論。該工作于2019年11月28日發(fā)表于《自然》雜志。 迄今為止，所有的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線而被發(fā)現(xiàn)的。 但LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，也就是說這個黑洞沒有在吸積伴星物質(zhì)，或者吸積很微弱，而且黑洞本身不發(fā)光，那要如何確認(rèn)這顆黑洞的存在呢？ 雙星中的黑洞正在吸食伴星的物質(zhì), 同時從垂直方向噴出一部分物質(zhì)，形成噴流。圖片來源：Wikimedia Commons 研究人員利用了一種不同的觀測技術(shù)來尋找這種類型的黑洞。如果一顆恒星繞著一個看不見的天體轉(zhuǎn)動，而這個天體的質(zhì)量大于3倍太陽質(zhì)量，那么黑洞就潛伏在那里。這項技術(shù)最早是由英國學(xué)者約翰·米歇爾在1783年提出，但只有在最近隨著望遠(yuǎn)鏡和探測器新技術(shù)的發(fā)展才變得可行。 研究人員通過分析LAMOST的觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，有一顆B型星存在周期性的徑向速度變化，光譜中還顯示一條近乎靜止且與B型星反向運行的Hα發(fā)射線，后者很可能來自一顆隱藏的黑洞！同時，研究人員估計這顆B型星的質(zhì)量約為太陽的8倍，年齡約為3500萬年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽的50億年。它與我們太陽系都位于銀盤中，距離地球約14000光年 （反銀心方向） 。 基于長達(dá)兩年的光譜觀測數(shù)據(jù)，研究人員通過擬合徑向速度曲線 ，得到了B型星軌道周期約為79天 ，估計了B型星和Hα發(fā)射線的速度曲線振幅之比（約為8），最終 推算出它身邊那個看不見的天體的質(zhì)量約為太陽的70倍，這說明那個隱藏天體只能是黑洞。 這是首次在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量如此大的恒星級黑洞。 自2015年起，LIGO/Virgo 引力波探測裝置已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，但它們都距離銀河系十分遙遠(yuǎn)。 劉繼峰團(tuán)隊的這一發(fā)現(xiàn)證實了銀河系內(nèi)也可以存在這類黑洞。 同時也刷新了人們對于恒星級黑洞質(zhì)量范圍的認(rèn)知。 同時這一結(jié)果對當(dāng)前的恒星演化模型提出了挑戰(zhàn)。 根據(jù)理論預(yù)言，在太陽金屬豐度下，恒星所形成的黑洞質(zhì)量最高不會超過25倍太陽質(zhì)量。金屬豐度在天文學(xué)中指星體中那些比氫、氦元素更重的元素所占比例。普遍認(rèn)為更大質(zhì)量的黑洞主要形成于低金屬豐度的環(huán)境中 （通常要小于0.2倍太陽金屬豐度） 。然而該研究卻發(fā)現(xiàn)雙星系統(tǒng)LB-1發(fā)光伴星的金屬豐度比太陽還要高 （是太陽的1.2倍） ，對于這樣的環(huán)境，理論上無法形成質(zhì)量達(dá)太陽70倍的黑洞。這可能意味著最新的恒星演化理論需要修改，或者某些形成機制被我們忽視。 “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)家改寫恒星級質(zhì)量黑洞的形成模型。 這一非凡的成果，將與過去四年里L(fēng)IGO-Virgo探測到的雙黑洞并合事件一起推動我們對黑洞天體物理研究的復(fù)興。 ” LIGO天文臺臺長 David Reitze 評論說。 另外，LB-1系統(tǒng)中的兩個天體圍繞彼此共同的中心運行，周期為79天。 長周期也意味著兩天體之間的距離會很大，測量結(jié)果表明，LB-1是銀河系內(nèi)目前已知間距最大的黑洞-恒星組合。 這使得作者猜測這個黑洞可能不是來源于單個恒星的內(nèi)核坍縮，而是LB-1最初可能是一個三星系統(tǒng)，那個可觀測的B型伴星處于最外層軌道且質(zhì)量最小，兩顆質(zhì)量更大的恒星在靠近系統(tǒng)中心處形成緊密環(huán)繞的雙星 （這是保證三星系統(tǒng)穩(wěn)定存活的必要條件） 。由于大質(zhì)量恒星壽命更短，雙星系統(tǒng)很快壽終正寢，演化為相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞，最終并合。 兩顆黑洞即將并合，藝術(shù)想象圖。圖源：Wikipedia 作者甚至猜測那對黑洞可能還沒有并合，現(xiàn)在推算出的單一大質(zhì)量黑洞實際上很可能是緊密相互繞轉(zhuǎn)的雙黑洞。 在這種情況下，該系統(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，也將成為研究三體系統(tǒng)中雙黑洞形成與演化的理想觀測目標(biāo)。 研究還發(fā)現(xiàn)LB-1的雙星軌道近乎呈圓形，這為我們理解該系統(tǒng)的形成提供了重要啟發(fā)。 圓形軌道表明LB-1屬于共同演化雙星，B型伴星并不是后期被黑洞引力俘獲所得。 因為被俘獲的恒星通常呈現(xiàn)為很扁的橢圓軌道，雖然來自黑洞的潮汐扭矩可以將軌道逐漸圓化，但這是一個極度漫長的過程，所需要的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該系統(tǒng)的年齡。 文章的通訊作者之一、中國科學(xué)院國家天文臺LAMOST運行和發(fā)展中心研究員張昊彤強調(diào)，LB-1大質(zhì)量恒星級黑洞的發(fā)現(xiàn)證實了LAMOST強大的光譜獲取能力。 LAMOST擁有4000根光纖，每次能觀測近4000個天體，是目前世界上光譜獲取率最高的天文望遠(yuǎn)鏡。 巡天觀測七年來，獲取了 1125萬條光譜，為天文學(xué)家搜尋特殊天體、探索銀河系形成與演化等提供了最有力的數(shù)據(jù)支持。 LAMOST望遠(yuǎn)鏡。圖源：http://lssf.cas.cn “LAMOST是我國天文界第一個大科學(xué)裝置，經(jīng)過數(shù)年努力，已經(jīng)成為科學(xué)發(fā)現(xiàn)和研究工作的助推器，目前以此為基礎(chǔ)，已經(jīng)發(fā)表文章500余篇，引用5000余次，還包括數(shù)篇 Nature 子刊和這篇 Nature 文章。 簡言之，LAMOST已經(jīng)得到大家認(rèn)可，也使大家意識到，大的科學(xué)就需要LAMOST這種大科學(xué)裝置。 ”劉繼峰在接受《知識分子》采訪時說。 劉繼峰同時表示，以更高精度和新的方法研究黑洞質(zhì)量，將是其團(tuán)隊接下來的重點研究方向。 “我們正在利用HARPS-N和CARMENES兩個用來探測系外行星的高精度光譜儀對LB-1進(jìn)行后續(xù)觀測研究，描繪黑洞吸積盤并以更高精度測量黑洞質(zhì)量。 同時, 結(jié)合視向速度觀測和蓋亞衛(wèi)星天體測量數(shù)據(jù)，使用另一個獨立方法來測量黑洞質(zhì)量。 ” “此外，我們由八個跨院校團(tuán)隊組成的黑洞小分隊在全力推進(jìn)黑洞獵手計劃，準(zhǔn)備五年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量近百個黑洞，五倍于現(xiàn)有恒星級黑洞，構(gòu)建大樣本黑洞質(zhì)量分布，以高顯著度看到黑洞樣本全貌，解答黑洞研究的諸多問題。 ” 劉繼峰補充說。
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