推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

據估計,我們的銀河系包含1億個恆星級黑洞,他們是由大質量恆星坍塌形成的宇宙天體,密度大到連光都無法逃逸。到目前為止,科學家們估計我們星系中單個恆星級黑洞的質量不超過太陽質量的20倍。然而由中國領導的國際科學家團隊有了一個重大突破,他們發現的巨大黑洞推翻了此前科學家的假設。

由中國科學院國家天文臺劉繼峰教授和張昊彤研究員領導的研究小組發現,在15000光年之外,銀河系的遙遠的旋臂裡有一個黑洞,它的質量大約是太陽的70倍。研究人員將其命名為LB-1。該發現發表在最新一期的《自然》雜誌上。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

這是一個讓天文學家十分驚訝的發現。黑洞似乎太大了,不可能是一顆恆星坍縮的產物,這讓天文學家對於黑洞如何形成的理論產生了疑問。

劉繼峰教授解釋說,根據目前大多數恆星演化模型,這種質量的黑洞甚至不應該存在於我們的星系中。通常科學家們認為,具有銀河系典型化學成分的超大質量恆星在接近生命終點時,必須透過強大的恆星風釋放出大部分氣體。因此他們不應該留下如此龐大的殘餘。而LB-1的質量是此前他們認為可能質量的兩倍。現在理論家們將不得不接受一個挑戰,來解釋它究竟是如何形成的。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

直到幾年前,發現潛在黑洞的唯一方法是尋找來自類似亮點的X射線。科學家們只有在恆星級黑洞吞噬伴星的氣體時,才能發現他們的存在。因為這個過程產生了從地球上可以檢測到的強大的x射線輻射,因此揭示了坍塌物體的存在。

然而我們星系中絕大多數恆星級黑洞是不活躍和不可見的,它們並沒有參與到吞噬其它星體的宇宙盛宴中,因此也就不會發出x射線。因此可供科學家觀察的目標有限,最終只有大約24個銀河系恆星級黑洞得到了很好的識別和測量。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

這24個恆星級黑洞大小不一,但重量都在太陽的5到20倍之間。科學家會通常假設它們代表著銀河系中所有黑洞的典型質量。然而這種觀點可能是不正確的,活躍的黑洞可能不能代表整個種群。為了克服這一侷限性,劉教授和他的同事們採用中國的大天空區域多目標光纖光譜望遠鏡(LAMOST郭守敬望遠鏡)對天空進行了仔細觀測,尋找圍繞著看不見的物體執行的恆星,它們會被引力所吸引。

1783年,富有遠見的英國科學家約翰·米歇爾首先提出了這種觀測技術,但直到最近隨著望遠鏡和探測器的最新技術升級和改進,使得觀測成為可能。然而這樣的搜尋就像大海撈針:一千顆恆星中可能只有一顆是圍繞著黑洞旋轉的。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

LB-1是中國科學家團隊使用LAMOST搜尋的第一個主要結果,另外還利用了世界上最大的光學望遠鏡,西班牙的10。4 m Gran Telescopio Canarias望遠鏡和美國的10 m Keck I望遠鏡被用來確定系統的物理引數。

他們看到了一顆比太陽大8倍的恆星,每79天圍繞著一顆比太陽重70倍的黑暗物體執行。這兩者之間的距離是地球和太陽距離的1。5倍。研究人員透過探測到的恆星的光頻率的微小變化來測量恆星的運動,這是由於恆星在其軌道上不同時間向地球移動和遠離地球時的多普勒頻移造成的。他們也對黑洞周圍的氫氣發出的微弱光亮做了同樣的處理。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

LB-1的發現正好和天體物理學的另一項突破相呼應。最近鐳射干涉引力波天文臺(LIGO)和室女座引力波探測器(Virgo)開始在時空中捕捉由遙遠星系中的黑洞碰撞引起的時空波動。有趣的是,這種碰撞所涉及的黑洞也比之前認為的典型黑洞要大得多。

LB-1究竟是如何形成的? 研究人員認為它不太可能來自單個大質量恆星的坍塌,因為任何大質量恆星在坍塌成黑洞之前都會透過恆星風失去更多的質量。一種可能性是,兩個較小的黑洞可能獨立於兩顆恆星形成,然後合併或者它們可能仍在相互環繞;另一種可能的解釋是,一個“普通”的恆星級黑洞被一個巨大的伴星吞沒。然後黑洞就會像黃蜂幼蟲一樣吞噬大部分的主恆星。

直接觀測到的LB-1黑洞證明,這些質量過大的恆星黑洞甚至就存在於我們的後院。這一發現將迫使科學家重新審視恆星級質量黑洞形成的模型,這一引人注目的結果,加上過去四年裡LIGO-Virgo探測到的雙星黑洞碰撞,確實表明科學家對黑洞天體物理學的認識正在復興。

推翻此前科學家假設!中國天文學家發現70倍太陽質量的恆星級黑洞

頂部