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茫茫星海“撒網”,圍獵“黑洞之王”

2019-12-15 文彙報
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  英國《自然》雜志日前在線發布了我國天文學家主導的一項重大發現:一顆迄今爲止最大質量的恒星級黑洞。這顆70倍太陽質量的超大恒星級黑洞遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,勢必推動恒星演化與黑洞形成理論的革新。

  宇宙真空吸光器有時也“溫柔”

  著名物理學家霍金在其最後的著作《十問》中寫道:“事實有時候比小說更奇妙,黑洞最能真實地體現這一點,它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙。”黑洞本身不發光,密度非常大,具有超強的吸引力,任何從其身邊經過的物質,就連速度最快的光也無法逃離。因此,黑洞可以說是名副其實的宇宙真空“吸光器”。

  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”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多(大于3倍太阳质量),多到既不能形成白矮星,也不能成为中子星,就进入死亡阶段,于是没有任何力量能阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

  球狀星團和矮星系中心或許有中等質量的黑洞,而星系的中心存在著超大質量黑洞。比如,銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

  黑洞神秘而有趣,若龍潛深淵,隱藏爪牙,潛行于宇宙星海中。黑洞本身不發光,奈何它們身邊的小夥伴們實在太高調:黑洞周邊的吸積盤或者伴星都表現出異樣的“氣場”。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統,黑洞就會露出“猙獰的爪牙”,以強大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體物質吸過來,形成吸積盤,發出明亮的X射線光。

  這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的“回光返照”,成爲天文學家多年來追尋黑洞蹤迹的強有力線索。迄今爲止,銀河系中幾乎所有的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。過去五十年間,人類用這種方法發現了約二十顆黑洞,質量均在3到20倍太陽質量之間。

  然而,銀河系內有數以千億計的恒星,按照理論預測,就應該有上億顆恒星級黑洞。實際上,在黑洞雙星系統中,能夠發出X射線輻射的只占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時,“大胃王”也會表現出平靜溫和的一面。如何搜尋這些平靜態(不吸積伴星氣體)黑洞呢?天文學家在發現這顆最大恒星級黑洞的過程中給出了全新答案。

  “走路拉風”的星在繞“誰”運動?

  中國科學院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统,这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞呢?700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

  2016年初,我国自主研发的大科学装置郭守敬望远镜(LAMOST)科学巡天部主任张昊彤研究员和中國科學院云南天文台韩占文研究员提出,利用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择了开普勒一个天区(K2-0)中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。

  在茫茫星海中“撒網”,比大海撈針更艱難。然而,功夫不負有心人,有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關注:這顆星表現出規律地周期性運動和不同尋常的光譜特征。

  科學家從這條光譜中讀出了非常豐富的信息:除了這顆星的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外,光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的明線(Hα發射線)給這顆星增添了的神秘感。

  這顆B型星背後一定有故事!它繞著運動的那個看不見的“誰”,莫非真的是黑洞?

  天文學家在追逐宇宙真相的道路上,從來都不會輕易放過任何一種可能。爲了進一步驗證這顆特殊B型星背後的真相,研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測,以此深入確認B型星的性質。

  根據光譜信息,研究人員計算出B型星的金屬豐度約爲1.2倍太陽豐度,質量約爲8倍太陽質量,年齡約爲3500萬年,距離我們1.4萬光年。根據B型星和Hα發射線的速度振幅之比,研究人員計算出該雙星系統中存在一個質量約爲70倍太陽質量的不可見天體——它只能是黑洞!

  B型星背後那個神秘的“誰”,就這樣被天文學家挖了出來。爲了紀念LAMOST在發現這顆巨大恒星級黑洞上做出的貢獻,天文學家將這個包含黑洞的雙星系統命名爲LB-1。

  與其他已知的恒星級黑洞不同,LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到,這顆黑洞和它的伴星相距較遠(1.5倍日地距離)。研究人員用美國錢德拉X射線天文台對該源進行觀測,發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱,是一個平靜溫和的恒星級“黑洞之王”。

  改寫理論抑或創造可能?

  自2015年起,美國激光幹涉引力波天文台(LIGO)及歐洲室女座引力波天文台(Virgo)的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞,質量遠高于先前已知的銀河系中的恒星級黑洞。此次,中國天文學家發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞不僅表明銀河系內也存在此類大質量恒星級黑洞,同時也刷新了人類對于恒星級黑洞質量上限的認知。

  该論文第一作者刘继峰研究员介绍说,一般模型认为,大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。

  目前的恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大爲25倍太陽質量的黑洞,因此LB-1中黑洞的質量突破了現有恒星演化理論的“禁區”。這可能意味著有關恒星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者以前某種黑洞形成機制被我們忽視了。

  LIGO台長大衛·雷茨評論說:“在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞,將迫使天文學家改寫恒星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果,將與過去四年裏LIGO及Virgo探測到的雙黑洞並合事件一起,推動黑洞天體物理研究的複興。”

  不過,也許還存在另一種可能性。LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。研究人員猜想,LB-1最初是一個三體系統,觀測到的B型星位于最外軌道,是質量最小的組成部分,而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞並合而成。在這種情形下,該系統將是黑洞並合事件的絕佳候選體,並爲研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的“實驗室”。

  (作者:王松 李双 陆由俊 刘继峰,均为中國科學院国家天文台科研人员)

  延伸閱讀

  黑洞是什麽

  黑洞本身不發光,密度非常大。如果把10倍于太陽質量的恒星壓縮到直徑爲北京六環大小的球體中,這樣的密度就相當于黑洞的密度。黑洞具有超強的吸引力,任何從其身邊經過的物質,就連速度最快的光也無法逃離。

  黑洞的分類

  天文學家根據黑洞質量的不同,將黑洞大致分爲恒星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100-10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。

  黑洞發現裏程碑

  1915年,愛因斯坦提出廣義相對論。一個月後,德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解,預示了黑洞的存在。

  1965年,天鵝座X-1因其強X射線輻射成爲第一顆被發現的黑洞侯選體;

  2015年,首次探測到的引力波爲黑洞的存在提供了更爲具體的證據;

  2019年,天文學家曆時10年利用四大洲八個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據——首張黑洞“剪影”。

  來自中國的2019“黑洞貢獻”

  4月10日

  人類首張黑洞照片公布

  由全球13个合作机构共同创建的事件视界望远镜(EHT)团队宣布,经过几十年的探索与积累,天文学家终于成功获得了超大黑洞的首个直接视觉证据——室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞图像。《天体物理学杂志通信》以特刊形式,用六篇論文发表了这一重大成果。

  黑洞所具有的極強引力可以使其周圍的時空彎曲,並將其周圍的氣體吸入。在此過程之中,被吸入氣體的引力能轉化爲熱能,導致這些氣體溫度升高並發出強烈的輻射。這使得黑洞沈浸在一片發光氣體的明亮區域中。借此,人類有可能爲黑洞拍攝下“剪影”。

  在这场漫长的探索中,共有16位中國科學家参与EHT项目。由于他们在EHT中做出的重要贡献,上海成为EHT全球发布黑洞照片的六个地点之一。

  4月11日

  發現首例雙中子星合並形成的磁星

  中國科學技術大學薛永泉研究团队与国内外研究人员合作,发现了首例双中子星合并形成的大质量毫秒快转的磁星X射线爆发事件。新发现的磁星距离地球66亿光年,磁场是地球的千万亿倍,爆发仅持续七小时,发光强度是太阳的万亿倍。研究論文发表在《自然》杂志上。

  中子星具有超高密度、超強磁場等極端屬性。人們通常認爲,雙中子星合並的直接産物是黑洞,但有理論預言其産物也可以是大質量毫秒快轉的極強磁場中子星——磁星,然而多年來該理論未被觀測證實。

  新發現的磁星證實了之前的理論預言,表明雙中子星合並直接産物可以是大質量毫秒磁星,爲更加深入研究中子星的形成、物理屬性及雙中子星合並提供了難得機遇與全新視角。國際知名天文學家戴子高評價其爲“開創性的發現”。

  9月5日

  找到黑洞吸積理論“最後一塊拼圖”

  《自然》杂志在线发表了中国天文学家主导的一项新发现,論文题为“供给类星体超大质量黑洞吸积盘燃料的核区快速内流”。科学家通过光谱追踪黑洞吸积气体中的氢和氦元素后发现,气体正背向观测者运动流入星系核区,也就是黑洞方向。并且,其速度由0持续增加到了5000公里/秒,这表明气体受黑洞引力作用持续加速下落。由于这一速度对应着吸积盘外边界处黑洞引力的自由落体速度,因此该发现从运动学上直接证实气体确实到达了吸积盘。

  黑洞吸積理論認爲,星系氣體下落到距離黑洞約一光年的位置時,由于黑洞的強大引力和高速轉動會形成盤狀氣體流,形成吸積盤。但此前沒人親眼看到氣體流入黑洞吸積盤。這一觀測找到了證明黑洞吸積理論的重要證據,完成了“最後一塊拼圖”。(楊馥溪整理)

  “光譜之王”開啓搜尋黑洞新時代

  LB-1这颗“黑洞之王”的发现,充分证实了我国重大科技基礎設施郭守敬望远镜(LAMOST)强大的光谱获取能力,同时也提供了一种利用LAMOST的巡天优势寻找黑洞的新方法。

  于2009年6月通過國家驗收的LAMOST擁有4000根光纖,每根光纖都如同一只眼睛,在觀測中可以緊盯一個天體。因此,LAMOST一次就能觀測近4000個天體。

  2019年3月,LAMOST DR6公开发布了1125万条光谱,成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,LAMOST被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

  從2016年11月起,爲了發現和研究光譜雙星,研究人員利用LAMOST對開普勒一個天區的3000多顆恒星曆時兩年進行了26次觀測,累計曝光時間約40小時。如果利用一架普通四米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞(一年觀測365天,每天觀測8小時),同樣的幾率下,則需要40年!

  LAMOST助力天文學家發現了恒星級黑洞之王,而“黑洞之王”的現身也爲“光譜之王”LAMOST增添了更多精彩——這顆迄今爲止最大質量的恒星級黑洞,是LAMOST發現的第一顆黑洞,它的出現將標志著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。

  LB-1是一個X射線輻射甯靜的雙星系統,利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來,人們認爲徑向速度監測可以發現平靜態的黑洞雙星,這顆迄今最大質量黑洞的發現證實了這一點。利用LAMOST大規模巡天優勢和速度監測方法,相信天文學家將會發現一批深藏不露的平靜態黑洞,從而逐步揭開黑洞“家族”的更多內幕,爲研究黑洞的形成演化以及質量分布邁出關鍵一步。

打印 責任編輯:侯茜

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