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茫茫星海“撒網”,圍獵“黑洞之王”

2019-12-15 文匯報
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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:一顆迄今為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后的著作《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”。

  恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的,是宇宙中廣泛存在的 “居民”。一顆恒星演化到最后如果剩下的質量太多(大于3倍太陽質量),多到既不能形成白矮星,也不能成為中子星,就進入死亡階段,于是沒有任何力量能阻止這顆恒星在終極引力的作用下持續塌縮,最終形成致密的黑洞。

  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,奈何它們身邊的小伙伴們實在太高調: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”,成為天文學家多年來追尋黑洞蹤跡的強有力線索。迄今為止,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?

  中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究員領導的研究團隊在浩瀚星海中發現了一個表現異常的雙星系統,這其中會不會包含一顆深藏不露的黑洞呢?700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。

  2016年初,我國自主研發的大科學裝置郭守敬望遠鏡(LAMOST)科學巡天部主任張昊彤研究員和中國科學院云南天文臺韓占文研究員提出,利用LAMOST觀測雙星光譜,開展雙星系統的研究計劃,并選擇了開普勒一個天區(K2-0)中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監測。

  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型星背后一定有故事!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。為了進一步驗證這顆特殊B型星背后的真相,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型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度,質量約為8倍太陽質量,年齡約為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為70倍太陽質量的不可見天體——它只能是黑洞!

  B型星背后那個神秘的“誰”,就這樣被天文學家挖了出來。為了紀念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為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射線天文臺對該源進行觀測,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,美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)及歐洲室女座引力波天文臺(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。

  該論文第一作者劉繼峰研究員介紹說,一般模型認為,大質量恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度(低于1/5太陽金屬豐度)環境中,LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的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為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臺長大衛·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,將與過去四年里LIGO及Virgo探測到的雙黑洞并合事件一起,推動黑洞天體物理研究的復興。”

  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并合而成。在這種情形下,該系統將是黑洞并合事件的絕佳候選體,并為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 李雙 陸由俊 劉繼峰,均為中國科學院國家天文臺科研人員)

  延伸閱讀

  黑洞是什么

  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為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,將黑洞大致分為恒星級黑洞(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)。

  黑洞發現里程碑

  1915年,愛因斯坦提出廣義相對論。一個月后,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射線輻射成為第一顆被發現的黑洞侯選體;

  2015年,首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據;

  2019年,天文學家歷時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個合作機構共同創建的事件視界望遠鏡(EHT)團隊宣布,經過幾十年的探索與積累,天文學家終于成功獲得了超大黑洞的首個直接視覺證據——室女座星系團中超大質量星系M87中心的黑洞圖像。《天體物理學雜志通信》以特刊形式,用六篇論文發表了這一重大成果。

  黑洞所具有的極強引力可以使其周圍的時空彎曲,并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為熱能,導致這些氣體溫度升高并發出強烈的輻射。這使得黑洞沉浸在一片發光氣體的明亮區域中。借此,人類有可能為黑洞拍攝下“剪影”。

  在這場漫長的探索中,共有16位中國科學家參與EHT項目。由于他們在EHT中做出的重要貢獻,上海成為EHT全球發布黑洞照片的六個地點之一。

  4月11日

  發現首例雙中子星合并形成的磁星

  中國科學技術大學薛永泉研究團隊與國內外研究人員合作,發現了首例雙中子星合并形成的大質量毫秒快轉的磁星X射線爆發事件。新發現的磁星距離地球66億光年,磁場是地球的千萬億倍,爆發僅持續七小時,發光強度是太陽的萬億倍。研究論文發表在《自然》雜志上。

  中子星具有超高密度、超強磁場等極端屬性。人們通常認為,雙中子星合并的直接產物是黑洞,但有理論預言其產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,表明雙中子星合并直接產物可以是大質量毫秒磁星,為更加深入研究中子星的形成、物理屬性及雙中子星合并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為“開創性的發現”。

  9月5日

  找到黑洞吸積理論“最后一塊拼圖”

  《自然》雜志在線發表了中國天文學家主導的一項新發現,論文題為“供給類星體超大質量黑洞吸積盤燃料的核區快速內流”。科學家通過光譜追蹤黑洞吸積氣體中的氫和氦元素后發現,氣體正背向觀測者運動流入星系核區,也就是黑洞方向。并且,其速度由0持續增加到了5000公里/秒,這表明氣體受黑洞引力作用持續加速下落。由于這一速度對應著吸積盤外邊界處黑洞引力的自由落體速度,因此該發現從運動學上直接證實氣體確實到達了吸積盤。

  黑洞吸積理論認為,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“最后一塊拼圖”。(楊馥溪整理)

  “光譜之王”開啟搜尋黑洞新時代

  LB-1這顆“黑洞之王”的發現,充分證實了我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)強大的光譜獲取能力,同時也提供了一種利用LAMOST的巡天優勢尋找黑洞的新方法。

  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公開發布了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目,LAMOST被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

  從2016年11月起,為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多顆恒星歷時兩年進行了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”的現身也為“光譜之王”LAMOST增添了更多精彩——這顆迄今為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射線輻射寧靜的雙星系統,利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來,人們認為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,為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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