發現迄今“最重”恆星級黑洞意味著什麼

巡天7年,我國自主研製的國家重大科技基礎設施——郭守敬望遠鏡(簡稱LAMOST)再立大功。近日,依託這一“千里眼”,中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊突破傳統觀測方法,發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞,這顆70倍太陽質量的黑洞遠超目前天文學理論預言的質量上限,被科學家們稱為銀河系內的“黑洞冠軍”。該成果於北京時間11月28日凌晨在國際期刊《自然》上發表。

一顆新天體:重新整理黑洞形成理論

黑洞作為一種本身不發光的神秘天體,在宇宙中難以被直接“看到”。在分類上,黑洞一般分為恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。其中,恆星級黑洞是由大質量的恆星死亡塌縮形成的。

南京大學天文與空間科學學院院長李向東介紹,在恆星轉化為黑洞的過程中,恆星中除氫和氦以外的所有元素總數,即金屬丰度是一個重要引數。一直以來,黑洞形成的理論模型認為,大質量的恆星級黑洞主要形成於低金屬丰度(低於1/5太陽金屬丰度)的環境中,因此,恆星這類天體在太陽金屬丰度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞,然而,劉繼峰、張昊彤研究團隊本次發現的黑洞,金屬丰度近似於太陽,但計算結果顯示,質量上大於太陽70倍,顯然已經突破了現有恆星演化理論。

“這樣的結果讓當時的我們有點不敢相信。”國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰迴憶。他認為,這個新發現的黑洞質量已經進入了現有恆星演化理論的“禁區”,“這可能意味著有關恆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忽視”。

一種新方法:不依託X射線也能捕捉黑洞

天文學理論預言,人類所處的銀河系中就有上億顆恆星級黑洞,但迄今為止,天文學家僅在銀河系內發現了約20顆恆星級黑洞。這又是為什麼呢?

原來,正因為“看不見”黑洞,科學家們只能“迂迴”地透過其他現象來研究。劉繼峰介紹,物質在被黑洞吞噬的過程中,會產生X射線。人類透過光譜儀捕捉這些射線,形成資料,由此計算出黑洞的位置、規模和質量等特徵。然而,並非所有黑洞在吸收物質時都有明亮的X射線,因此,找到新的方法,發現更多沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點。

記者瞭解到,從2016年秋季開始,本次研究團隊開始利用LAMOST監測銀河系內一個小天區的3000多顆恆星,跟蹤它們的光譜變化。結果發現,在一個X射線輻射非常寧靜的雙星系統(簡稱LB-1)中,一顆有8倍太陽質量的藍色恆星,圍繞一個“看不見的天體”做著週期性運動。它光譜中一條近乎靜止且執行方向和恆星本身反相位的Hα發射線成為科學家的新線索。

他們推斷,那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。為此,研究團隊又先後透過西班牙和美國的光譜望遠鏡進一步確認驗證了LB-1的光譜性質,最終透過觀測到的資料,計算出這顆恆星年齡約為35百萬年,距離我們1。4萬光年,金屬丰度相當於太陽,而這顆新發現的黑洞質量竟達到了太陽的70倍。

劉繼峰說:“這個黑洞從未在任何X射線觀測中被探測到,它的X射線輻射非常寧靜,所以,我們為天文界提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。”

一個新證明:LAMOST不愧“光譜之王”

新聞釋出會上,李向東向記者強調:“此次研究成果的獲得,LAMOST功不可沒,這是我們依託我國自主研發的天文裝置進行的開創性研究,證明了它強大的光譜獲取能力。”

國家天文臺高階工程師白仲瑞介紹,LAMOST擁有4000顆“眼睛”即光纖,一次能觀測近4000個天體,可謂“一眼千星”。2019年3月,LAMOST公開發布了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天專案,被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

在本次研究中,歷時兩年的監測裡,LAMOST共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示,如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的機率下,估計需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

“這顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞,也是LAMOST發現的第一顆黑洞,它的出現將標誌著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來,天文學家有望發現更多‘深藏不露’的平靜態黑洞。”劉繼峰說。

(記者 楊舒)

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