質(zhì)量超理論上限的它 揭示黑洞另一種存在方式
本報(bào)記者 高 博
近日，國際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞，并提供了一種利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。
這顆70倍太陽質(zhì)量的超大恒星級黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認(rèn)知，勢必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。
過去只能找到“暴力”的黑洞
霍金在其最后的著作《十問》中寫道，“黑洞比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。黑洞本身不發(fā)光，密度非常大，相當(dāng)于把10倍太陽質(zhì)量的恒星壓縮到北京六環(huán)大小的球體中，具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)、就連光也無法逃離。黑洞是宇宙的“吸光器”。
黑洞大致分為恒星級黑洞（100倍太陽質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（約100到10萬倍太陽質(zhì)量之間）和超大質(zhì)量黑洞（10萬倍太陽質(zhì)量以上）。恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的。一顆恒星走到生命盡頭，如果剩下的質(zhì)量大于3倍太陽質(zhì)量，既不能形成白矮星，也不能成為中子星，就沒有任何力量可以阻止終極引力讓其塌縮成黑洞。
龍潛深淵，隱藏爪牙。黑洞本身不發(fā)光，天文學(xué)家很難在茫茫宇宙中看到它。
奈何黑洞身邊的小伙伴們實(shí)在是太高調(diào)，周邊吸積盤或者伴星都表現(xiàn)出異樣的“氣場”。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)密近雙星系統(tǒng)，黑洞就會(huì)露出猙獰的爪牙，直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出“明亮”的X射線。這些X射線如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一“照”成為天文學(xué)家過去這些年追尋黑洞蹤跡的線索。
迄今為止，銀河系中幾乎所有已知的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識(shí)別的。過去的50年里，人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽質(zhì)量之間。銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論預(yù)測，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級黑洞，而在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的只占一小部分。
兩年監(jiān)測發(fā)現(xiàn)“走路拉風(fēng)”的天體
劉繼峰和張昊彤的團(tuán)隊(duì)在浩瀚星海中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)表現(xiàn)異常的雙星系統(tǒng)。700多天的追逐之路飽含艱辛和精彩。
2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤和中國科學(xué)院云南天文臺(tái)院士韓占文提出利用LAMOST觀測雙星光譜，并選擇了3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年的光譜監(jiān)測。在這其中有一顆“走路拉風(fēng)”的B型星引起了研究人員的關(guān)注。
除了獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，其光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的明線（Hα發(fā)射線）給這個(gè)天體增添了十足的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星“背后有人”。
西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡(GTC)的21次觀測和美國10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck）的7次高分辨率觀測，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。
B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量，年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年。根據(jù)B型星和Hα發(fā)射線的速度振幅之比，其伴星應(yīng)該一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。
LB-1黑洞從未在任何X射線觀測中被探測到。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺(tái)對該源進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級黑洞“冠軍”。
特殊金屬豐度指向理論“禁區(qū)”
從2015年起，美國激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）的引力波觀測實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系里的恒星級黑洞。
但是，新發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽質(zhì)量的超級黑洞，確認(rèn)了銀河系存在著更大質(zhì)量的恒星級黑洞，刷新了人類對于恒星級黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知。
恒星有個(gè)屬性叫金屬豐度，指的是非氫氦元素在恒星中的比值。論文第一作者劉繼峰介紹說，一般模型認(rèn)為大質(zhì)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(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽金屬豐度相近的B型星。目前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(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。
現(xiàn)有理論認(rèn)為，恒星在形成黑洞前，會(huì)吹出星風(fēng)喪失物質(zhì)，因此恒星級黑洞不會(huì)特別重。宇宙中最重的恒星大概只有幾百個(gè)太陽質(zhì)量，理論預(yù)言其演化晚期形成的黑洞最大也就20多個(gè)太陽質(zhì)量。之前發(fā)現(xiàn)的黑洞都沒超過這個(gè)量級。
LB-1的發(fā)現(xiàn)可能意味著有關(guān)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(jī)制被忽視。
另一種可能性是，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(gè)三體系統(tǒng)，觀測到的B型星位于最外軌道，是質(zhì)量最小的組成部分，而現(xiàn)在的黑洞是由最初內(nèi)部的雙星形成的雙黑洞并合而成。在這種情形下，該系統(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，并為研究三體系統(tǒng)中雙黑洞形成提供了獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)室。
“光譜之王”和“黑洞之王”彼此成就
天文學(xué)家給這個(gè)包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1，是為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級黑洞上作出的貢獻(xiàn)。
這顆“黑洞之王”的發(fā)現(xiàn)充分證實(shí)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆“眼睛”（4000根光纖），一次能觀測近4000個(gè)天體。
2019年3月，LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬的光譜巡天項(xiàng)目，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。
從2016年11月開始，為了發(fā)現(xiàn)和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測，累計(jì)曝光時(shí)間約40小時(shí)。如果利用一架普通4米望遠(yuǎn)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(shí)），同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間！這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率！
“工欲善其事必先利其器”，這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞，標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時(shí)代的到來。
相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界的一段佳話。
LB-1是一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，利用常規(guī)X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。利用LAMOST大規(guī)模巡天優(yōu)勢和速度監(jiān)測方法，相信天文學(xué)家將會(huì)發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的平靜態(tài)黑洞, 從而逐步揭開這個(gè)“黑暗家族”的內(nèi)幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步。就像LIGO臺(tái)長大衛(wèi)·雷茨評論的，LB-1的發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興。
（《科技日報(bào)》2019年12月3日第 8 版。）
