发布单位: 国家天文台
北京时间 2019 年 11 月 28 日凌晨 ,国际科学期刊 《自然》 发布了中国科学院国家天文台刘继峰 、张昊彤研究团队的一项重大发现 。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜 (LAMOST) ,研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞 ,并提供了一种利用 LAMOST 巡天优势寻找黑洞的新方法 。这颗 70 倍太阳质量的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 ,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新 。

图 1 中国科学家发现的巨型黑洞 LB-1 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 。
黑洞 (英语: black hole) 是一种本身不发光的神秘天体 。任何物质 ,包括光也无法从它身边逃离 。根据质量的不同 ,黑洞一般分为恒星级黑洞 、中等质量黑洞和超大质量黑洞 。这其中 ,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” 。理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞 ,但迄今为止 ,天文学家仅在银河系发现了约 20 颗恒星级黑洞——而且都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的 X 射线来识别的 、质量均小于 20 倍太阳质量的黑洞 。
找到新的方法 ,发现数量巨大 、没有 X 射线辐射的黑洞 ,成了天文学界近年来研究的热点和难点 。
2016 年秋季开始 ,国家天文台领导的研究团队利用 LAMOST 开展双星课题研究 ,历时两年监测了一个小天区内 3000 多颗恒星 。结果发现 ,在一个 X 射线辐射宁静的双星系统 (LB-1) 中 ,一颗 8 倍太阳质量的蓝色恒星 ,围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动 。不同寻常的光谱特征表明 ,那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞 。研究人员随即进行了“确认”: 他们通过西班牙 10.4 米口径加纳利大望远镜和美国 10 米口径凯克望远镜 ,进一步确认了 LB-1 的光谱性质 ,计算出该黑洞的质量大约是太阳的 70 倍 。值得一提的是 ,在两年之久的监测时间里 ,LAMOST 共为这项研究做了 26 次观测 ,累积曝光时间约 40 个小时 。刘继峰表示 ,如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞 ,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 。

图 2 LB-1 和引力波并合事件 、X 射线方法发现的黑洞的质量分布 。
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 。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区” 。美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 从 2015 年起 ,通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞; 2017 年 ,雷纳·韦斯 、基普·索恩和巴里·巴里什因在 LIGO 的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖 。LIGO 台长大卫·雷茨评论 ,“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黑洞的形成模型 。这一非凡的成果 ,将与过去四年里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) 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” 。接下来 ,利用 LAMOST 极高的观测效率 ,天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞 ,开创批量发现黑洞的新纪元 。
这项工作是基于 LAMOST (中国兴隆) 、加纳利大望远镜 (西班牙加纳利群岛) 、凯克望远镜 (美国夏威夷) 和钱德拉 X 射线天文台 (美国) 的观测数据完成的 。本研究共包括 55 位作者 ,来自中国 、美国 、西班牙 、澳大利亚 、意大利 、波兰和荷兰 7 个国家 28 家单位 。
论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2
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