星海茫茫，捕捉“黑洞之王”

恒星級黑洞由大質(zhì)量恒星死亡形成，根據(jù)理論推算，上億個恒星量級的黑洞“潛行”于茫茫星海中，想要找到它們卻并不容易。

我國天文學(xué)家利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡，通過長時間、大范圍的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞，約為70倍太陽質(zhì)量。這一發(fā)現(xiàn)，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新，也開辟了利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢搜尋黑洞的新路徑。

近日，國際期刊《自然》在線發(fā)布了中國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項重大成果：中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞。這是繼2091年4月，黑洞首次展露“真顏”后，又一相關(guān)重大發(fā)現(xiàn)。

這顆70倍太陽質(zhì)量的超大恒星級黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認(rèn)知，堪稱“黑洞之王”，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

上億黑洞“深藏不露”，尋找它們是難點

1915年愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場方程式的一個精確解，預(yù)言了黑洞的存在，自此人類就沒有停止過對它的想象和探索。

神秘的黑洞像宇宙萬物一樣，恒星也會衰老死亡。一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時，內(nèi)核會急劇坍縮，當(dāng)其質(zhì)量大于約3倍太陽質(zhì)量時，便會坍縮為一個奇點，成為黑洞。由于其密度極高、引力超強(qiáng)，即便是光也無法從它身邊逃離。

按照其質(zhì)量不同，天文學(xué)家將黑洞大致分為三類：恒星級黑洞(100倍太陽質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100倍～10萬倍太陽質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬倍太陽質(zhì)量以上)。

劉繼峰說：“恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，在宇宙中廣泛存在。根據(jù)理論推算，銀河系中應(yīng)該存在著上億個恒星量級的黑洞。”然而，想要在茫茫宇宙中尋找到它們卻并不容易。因為黑洞自身不發(fā)射和反射電磁波，儀器和肉眼都無法直接觀測到它。

天文學(xué)家們嘗試尋找各種間接證據(jù)，經(jīng)過探索研究，發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象：黑洞會“吃東西”。它在接近一顆恒星組成雙星系統(tǒng)時，會以強(qiáng)大的“胃口”直接把對方的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，并發(fā)射出明亮的X射線光。通過探測這些X射線光，可以判斷并選出黑洞候選體，再通過進(jìn)一步監(jiān)測伴星的運(yùn)動，可以測量黑洞的質(zhì)量并最終確認(rèn)其存在。

劉繼峰介紹說，過去的50年里，天文學(xué)家通過這種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞，質(zhì)量均在3～20倍太陽質(zhì)量。但是，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射線的只占一小部分。那么，“沉默”的大多數(shù)該如何被尋找。于是，找到新方法，去發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大且沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來研究的熱點和難點。

超大質(zhì)量黑洞，超出模型理論上限

2016年秋，國家天文臺領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡開展雙星課題研究，歷時2年監(jiān)測了開普勒一個天區(qū)(K2-0)內(nèi)的3 000多顆恒星。

在監(jiān)測過程中，有一顆“走路拉風(fēng)”的B型星引起了研究人員的關(guān)注：這顆8倍太陽質(zhì)量的藍(lán)色恒星，一直在圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運(yùn)動。

團(tuán)隊成員、中國科學(xué)院大學(xué)研究生鄭傳杰說：“它的光譜攜帶了非常豐富的信息，除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，光譜中還有一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的發(fā)射線，這點很不尋常。”

通過各種跡象，研究人員推測，那個被B型星圍繞的“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。“根據(jù)多個望遠(yuǎn)鏡的多次觀測，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。根據(jù)光譜信息，計算出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。”鄭傳杰說：“接著，根據(jù)B型星和其光譜中那條‘特殊’發(fā)射線的速度振幅之比，計算出該雙星系統(tǒng)中存在一個質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體。質(zhì)量如此之大的，只能是黑洞。”

據(jù)劉繼峰回憶，最初得到結(jié)果時，所有人都不敢相信。因為，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，這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量已經(jīng)超出了理論范圍。

《自然》雜志的審稿人對此也非常謹(jǐn)慎，提出很多問題。研究團(tuán)隊反復(fù)計算確認(rèn)，“最終結(jié)果不變。劉繼峰說，這可能意味著有關(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。”

而且，與其他已知的恒星級黑洞不同，這顆黑洞之前從未在任何X射線中被探測到過，它對其伴星吸積非常微弱，屬于之前所說的“沉默”的大多數(shù)。劉繼峰說：“這個重大發(fā)現(xiàn)還開辟了一條利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡的巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。”

巡天監(jiān)測，未來將描繪黑洞群像圖

值得一提的是，兩年半的監(jiān)測時間里，郭守敬望遠(yuǎn)鏡共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。劉繼峰這樣比喻，“如果利用一架普通4 m口徑望遠(yuǎn)鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間。”

為了紀(jì)念郭守敬望遠(yuǎn)鏡在發(fā)現(xiàn)這顆恒星級黑洞上做出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1。LB-1的發(fā)現(xiàn)充分證實了郭守敬望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜獲取能力。郭守敬望遠(yuǎn)鏡擁有4 000根光纖，好比長了4 000只眼睛，一次能夠觀測近4 000個天體。2019年3月，郭守敬望遠(yuǎn)鏡公開發(fā)布了1 125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。郭守敬望遠(yuǎn)鏡的一個個科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓天文學(xué)家得以重新審視銀河系：利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)人類居住的家園銀河系比之前認(rèn)識的大了一倍，還精確稱量出銀河系的體重約為太陽質(zhì)量的9 000億倍；銀河系暈的面貌被改寫，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)銀暈是個內(nèi)扁外圓的“胖子”；此外，還發(fā)現(xiàn)了萬余顆貧金屬星，擁有了目前世界上最大、適合現(xiàn)有大望遠(yuǎn)鏡跟蹤觀測的宇宙化石樣本；獲取了上百萬顆恒星的年齡，為銀河系演化研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)……

此次這顆恒星級黑洞，是郭守敬望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，它的出現(xiàn)將標(biāo)志著利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時代的到來。

據(jù)劉繼峰介紹，接下來，研究團(tuán)隊計劃開展一個名為“黑洞獵手”的計劃，利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天優(yōu)勢批量發(fā)現(xiàn)黑洞并測量黑洞質(zhì)量，“預(yù)計在未來5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量出近百個黑洞，并描繪出一幅黑洞群像畫。”劉繼峰說。在搜尋黑洞的同時，郭守敬望遠(yuǎn)鏡也將繼續(xù)搜尋地外文明，通過探測系外行星宿主恒星及其性質(zhì)，加快系外行星的搜尋及對地外生命的探索等。