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天文學家利用LAMOST發現迄今最大的恒星級黑洞

2019-11-28 國家天文臺
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[video:20191128我國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞(1)]

  1128日,國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞,并提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的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,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

  黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質,包括光也無法從它身邊逃離。根據質量的不同,黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。這其中,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”。理論預言銀河系中有上億恒星級黑洞,迄今為止,天文學家僅在銀河系發現了約20恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的、質量均小于20倍太陽質量的黑洞。

  找到新的方法,發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

  2016年秋季開始,國家天文臺領導的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究,歷時兩年監測了一個小天區內3000多顆恒星。結果發現,在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(LB-1)中,一顆8倍太陽質量的藍色恒星,圍繞一個“看不見的天體做著周期性運動。不同尋常的光譜特征表明,那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進行了“確認”:他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡,進一步確認了LB-1的光譜性質,計算出該黑洞的質量大約是太陽的70。值得一提的是,在兩年之久的監測時間里,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,同樣的幾率下,則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

  目前恒星演化理論預言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞。這顆新發現黑洞的質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)從2015年起,通過探測引力波的方法發現了數十倍太陽質量的黑洞;2017年,雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。LIGO臺長大衛·雷茨評論,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黑洞的形成模型。這一非凡的成果,將與過去四年里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)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接下來,利用LAMOST極高的觀測效率,天文學家有望發現一大批深藏不露的黑洞,開創批量發現黑洞的新紀元。

  這項工作是基于LAMOST(中國興隆)、加納利大望遠鏡(西班牙加納利群島)、凱克望遠鏡(美國夏威夷)和錢德拉X射線天文臺(美國)的觀測數據完成的。該研究共包括55位作者,來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、意大利、波蘭和荷蘭7個國家28家單位。

  論文鏈接

圖1 LB-1的藝術想象圖(喻京川繪)

2 LB-1和引力波并合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布

打印 責任編輯:葉瑞優
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