【中国科学报】觐见“黑洞之王”

2019-11-29 中国科学报丁佳

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　　黑洞对人类的吸引力，几乎和它本身的引力一样强大。

　　2019年可以说是“黑洞之年”。上半年，天文学家历时10年，捕获了首张黑洞“芳容”，一度成为全球瞩目的焦点；半年后，中国科学家主导的一项研究，发现了银河系中的“恒星级黑洞之王”，将人类探索黑洞的历史再次向前推进。

　　北京时间11月28日凌晨，《自然》杂志发表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。研究团队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），发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。

　　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。

　　沉默的大多数

　　黑洞是一种本身不发光的神秘天体，它的密度非常大，具有超强的吸引力，任何物质，包括光也无法从它身边逃离，是宇宙中名副其实的“吸光器”。

　　根据黑洞质量的不同，天文学家将黑洞大致分为100倍太阳质量以下的恒星级黑洞、100~10万倍太阳质量的中等质量黑洞和10万倍太阳质量以上的超大质量黑洞。

　　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，银河系中应该有上亿颗这种恒星级的黑洞。”论文第一作者、中科院国家天文台副台长、研究员刘继峰说，“但过去几十年，人们只发现了大概20个。”

　　剩下的上亿个黑洞到底去哪了？刘继峰认为，这可能与观测方法有关。

　　黑洞虽然不发光，但当它与一颗正常恒星组成一个密近双星系统时，就会露出“狰狞”的面目，以强大的“胃口”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，这些X射线就如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”。

　　此前，科学家就是通过这些X射线来识别黑洞的，50年来，人们用这种方法发现了约20个黑洞，它们的质量均在3~20倍太阳质量之间。

　　可是，当黑洞和它的伴星距离较远时，“大胃王”也会表现出平静温和的一面，黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的其实只占一小部分。对于这些“沉默的大多数“，又该如何去搜寻呢？

　　“走路拉风”的B型星

　　2016年初，中科院国家天文台研究员、LAMOST科学巡天部主任张昊彤和中科院院士韩占文利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择银河系一个天区中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。

　　其中，一颗“走路拉风”的B型星引起了科研人员的注意。在一个X射线辐射宁静的双星系统中，这颗8倍太阳质量的蓝色恒星，似乎在围绕一个看不见的天体做着周期性运动。

　　“我们怀疑，这颗星星的背后一定有故事。它到底在绕着谁运动？”论文作者之一、国家天文台研究生郑传杰说。

　　不同寻常的光谱特征表明，那个“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。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，进一步确认了这个双星系统的光谱性质，并计算出这个“看不见的天体”质量大约是太阳的70倍。

　　这么大的质量，它只能是黑洞！

　　目前的恒星演化理论预言，在太阳金属丰度下，只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。但显然，这颗新发现的黑洞已经突破了现有的理论限制。

　　“当初得到这个结果，我们也感到很意外，不敢相信。《自然》杂志的审稿人也非常谨慎，提出了很多问题。但我们反复计算，事实就是如此。”刘继峰告诉《中国科学报》，这一发现可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写，或者还有某种黑洞形成机制被人们忽视了。

　　“黑洞猎手”

　　对这一发现，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）台长大卫·雷茨评论称：“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4年里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。”

　　其实从2015年起，LIGO和Virgo的引力波观测实验已发现了几十倍太阳质量的黑洞，但它们都位于遥远的地方，也就是在宇宙较早期形成的。而此次发现的这颗70倍太阳质量的“黑洞之王”，不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞，同时刷新了人类对恒星级黑洞质量上限的认知。

　　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。据估算，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，在同样的几率下，则需要40年时间。

　　LAMOST超高的观测效率也给了刘继峰等人更充足的信心。他透露，科研团队将开展一个“黑洞猎手”计划，预计在5年内发现并测量近百个黑洞，并最终描画出一幅黑洞群像。

　　到那时，是否还会有新的“黑洞之王”出现呢？我们不妨拭目以待。

　　（原载于《中国科学报》 2019-11-29 第1版要闻)

　　黑洞对人类的吸引力，几乎和它本身的引力一样强大。
　　2019年可以说是“黑洞之年”。上半年，天文学家历时10年，捕获了首张黑洞“芳容”，一度成为全球瞩目的焦点；半年后，中国科学家主导的一项研究，发现了银河系中的“恒星级黑洞之王”，将人类探索黑洞的历史再次向前推进。
　　北京时间11月28日凌晨，《自然》杂志发表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。研究团队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），发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。
　　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。
　　沉默的大多数
　　黑洞是一种本身不发光的神秘天体，它的密度非常大，具有超强的吸引力，任何物质，包括光也无法从它身边逃离，是宇宙中名副其实的“吸光器”。
　　根据黑洞质量的不同，天文学家将黑洞大致分为100倍太阳质量以下的恒星级黑洞、100~10万倍太阳质量的中等质量黑洞和10万倍太阳质量以上的超大质量黑洞。
　　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，银河系中应该有上亿颗这种恒星级的黑洞。”论文第一作者、中科院国家天文台副台长、研究员刘继峰说，“但过去几十年，人们只发现了大概20个。”
　　剩下的上亿个黑洞到底去哪了？刘继峰认为，这可能与观测方法有关。
　　黑洞虽然不发光，但当它与一颗正常恒星组成一个密近双星系统时，就会露出“狰狞”的面目，以强大的“胃口”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，这些X射线就如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”。
　　此前，科学家就是通过这些X射线来识别黑洞的，50年来，人们用这种方法发现了约20个黑洞，它们的质量均在3~20倍太阳质量之间。
　　可是，当黑洞和它的伴星距离较远时，“大胃王”也会表现出平静温和的一面，黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的其实只占一小部分。对于这些“沉默的大多数“，又该如何去搜寻呢？
　　“走路拉风”的B型星
　　2016年初，中科院国家天文台研究员、LAMOST科学巡天部主任张昊彤和中科院院士韩占文利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择银河系一个天区中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。
　　其中，一颗“走路拉风”的B型星引起了科研人员的注意。在一个X射线辐射宁静的双星系统中，这颗8倍太阳质量的蓝色恒星，似乎在围绕一个看不见的天体做着周期性运动。
　　“我们怀疑，这颗星星的背后一定有故事。它到底在绕着谁运动？”论文作者之一、国家天文台研究生郑传杰说。
　　不同寻常的光谱特征表明，那个“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。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，进一步确认了这个双星系统的光谱性质，并计算出这个“看不见的天体”质量大约是太阳的70倍。
　　这么大的质量，它只能是黑洞！
　　目前的恒星演化理论预言，在太阳金属丰度下，只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。但显然，这颗新发现的黑洞已经突破了现有的理论限制。
　　“当初得到这个结果，我们也感到很意外，不敢相信。《自然》杂志的审稿人也非常谨慎，提出了很多问题。但我们反复计算，事实就是如此。”刘继峰告诉《中国科学报》，这一发现可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写，或者还有某种黑洞形成机制被人们忽视了。
　　“黑洞猎手”
　　对这一发现，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）台长大卫·雷茨评论称：“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4年里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。”
　　其实从2015年起，LIGO和Virgo的引力波观测实验已发现了几十倍太阳质量的黑洞，但它们都位于遥远的地方，也就是在宇宙较早期形成的。而此次发现的这颗70倍太阳质量的“黑洞之王”，不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞，同时刷新了人类对恒星级黑洞质量上限的认知。
　　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。据估算，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，在同样的几率下，则需要40年时间。
　　LAMOST超高的观测效率也给了刘继峰等人更充足的信心。他透露，科研团队将开展一个“黑洞猎手”计划，预计在5年内发现并测量近百个黑洞，并最终描画出一幅黑洞群像。
　　到那时，是否还会有新的“黑洞之王”出现呢？我们不妨拭目以待。
　　（原载于《中国科学报》 2019-11-29 第1版要闻)
　　

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