中国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞,猎手计划欲五年找近百黑洞

科学
中国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞,猎手计划欲五年找近百黑洞
麻省理工科技评论 2019-11-28

2019-11-28

中国天文学家发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞
天文学 银河 黑洞
中国天文学家发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞

在我们的银河系后花园,中国天文学家发现了迄今为止质量最大的恒星级黑洞,其质量相当于 70 个太阳。

2019 年 11 月 28 日凌晨,《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的这项重大发现。他们依托我国自主研制的郭守敬望远镜(LAMOST),发现了这个迄今为止质量最大的恒星级黑洞,远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,从而有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

这项工作是基于 LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉 X 射线天文台(美国)的观测数据完成的。本研究共包括 55 位作者,来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰 7 个国家 28 家单位。

更重要的是,通过本次发现所形成的寻找黑洞新方法,未来将有更大的发挥空间。刘继峰告诉 DeepTech,国家天文台即将发起黑洞猎手计划,预计在五年内发现并测量近百个黑洞,对于这个目标,“我们有信心”。

 黑洞“冠军”发现记

根据理论预测,我们的银河系中有上亿颗恒星级黑洞。

中国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞,猎手计划欲五年找近百黑洞

图 | LB-1的艺术想象图 (来源:喻京川绘)

黑洞按照质量划分,一般分为恒星级黑洞(100 倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100-10 万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10 万倍太阳质量以上)。

其中,恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多,大于 3 倍太阳质量,就既不能形成白矮星,也不能成为中子星,它一旦进入死亡阶段,就没有任何力量可以阻止其在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

但迄今为止,天文学家仅在银河系发现了约 20 颗恒星级黑洞。为什么会这么少呢?

主要由于黑洞这种神秘天体,本身不发光,密度非常大,相当于把 10 倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中。黑洞还具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离。

人类发现黑洞的手段也很有限。通过引力波实验聆听时空的涟漪,可以推知双黑洞并合事件,但这仅适用于稀少的双黑洞;此外,可以通过监测明亮伴星的运动推知黑洞存在并测量黑洞质量,这需要黑洞吸积盘 X 射线指引,但是只有极少数能产生 X 射线辐射。

迄今为止,银河系中几乎所有的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的 X 射线来识别的。过去的 50 年中,人们用该种方法发现了约 20 颗黑洞,质量均在 3 到 20 倍太阳质量之间。实际上,这个方法在大多数时间不好使,例如在黑洞双星系统中,能够发出 X 射线辐射的只占一小部分。

2016 年秋季开始,国家天文台领导的研究团队利用 LAMOST 开展双星课题研究,在两年里,监测了一个小天区内 3000 多颗恒星。

在一个 X 射线辐射宁静的双星系统中,一颗“走位拉风”的 B 型星引起了研究人员的关注,这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。

研究人员怀疑这颗 B 型星背后一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”运动? 莫非是黑洞!

为了进一步验证真相,研究人员随即申请了西班牙 10.4 米加纳利大望远镜(GTC)的 21 次观测和美国 10 米凯克望远镜(Keck)的 7 次高分辨率观测,进一步确认它是 B 型星。

根据光谱信息,研究人员计算出 B 型星的金属丰度约为 1.2 倍太阳丰度,质量约为 8 倍太阳质量,年龄约为 35 百万年,距离我们 1.4 万光年。根据 B 型星和 Hα发射线的速度振幅之比,研究人员计算出该双星系统中存在一个质量约为 70 倍太阳质量的不可见天体,它只能是黑洞。

为了纪念 LAMOST 在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为 LB-1。

与其他已知的恒星级黑洞不同,LB-1 从未在任何 X 射线观测中被探测到,这个黑洞和它的伴星相距较远。

研究人员用美国钱德拉 X 射线天文台对该源进行观测,发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积非常微弱,是一个“平静温和”的恒星级黑洞“冠军”。

进入理论“禁区”

目前恒星演化理论预言,在太阳金属丰度下只能形成最大为 25 倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量达到 70 倍太阳质量,已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

据刘继峰分析称,这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

LB-1 中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩形成的。研究人员猜想,LB-1 最初是一个三体系统,观测到的 B 型星位于最外轨道,是质量最小的组成部分,而现在的黑洞是由最初内部的双星形成的双黑洞并合而成。在这种情形下,该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体,并为研究三体系统中双黑洞形成提供了独一无二的实验室。

由于对现有理论的巨大挑战,三年来,研究团队反复检查、推敲,经历了无比严格的审稿过程。刘继峰称,“Nature 审稿人提了巨多的问题”。

LIGO 台长大卫·雷茨评论,“在银河系内发现 70 倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

在这项研究中,LAMOST 在两年里共做了 26 次观测,累积曝光时间约 40 个小时。

刘继峰表示,同样是 4 米的有效通光口径,如果利用一架普通望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要 40 年的时间——这充分体现出 LAMOST 超高的观测效率。

中国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞,猎手计划欲五年找近百黑洞

图 | LB-1 和引力波并合事件、X 射线方法发现的黑洞的质量分布

在发布会上,刘继峰宣布将启动黑洞猎手计划,预计五年内发现并测量近百个黑洞。

这个目标是不是过于激进了?刘继峰告诉 DeepTech,“首个黑洞用时这么长,是要建立方法论,现在有方法论了,主要看观测能力。目前资源已经就绪了。”据悉,目前国内外的多个团队都热心地参与其中,贡献出观测时间。

现在,LAMOST 开始监测四个其他天区。利用 LAMOST 极高的观测效率,天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞,开创批量发现黑洞的新纪元。

小资料:双星系统与黑洞

恒星和与之相对应的星系诞生于宇宙中的尘埃团(比如各种星云),而当一颗质量大于约 1.5 倍太阳质量的恒星在迎来其生命的终结时,便会演变为中子星或黑洞,一般质量小于 2 到 3 倍太阳质量的恒星会演变为中子星,而质量超出这一范围的恒星则会由于构成其的中子与中子间作用力不再能抵抗强大引力所造成的向内塌陷,最终变成黑洞。

由于黑洞本身的物理性质,黑洞的本体对我们来说是不可见的,因此,我们便只能通过观测与之相互作用的周边天体来判断某一区域中是否存在黑洞,并计算包括其质量在内的各种信息,而在所有的天体系统中,双星系统(内有两颗恒星互相绕对方运动)当属在对黑洞的观测难度上较低的一类。

一般来说,正常的观测操作可被大体分为五步,首先,在确定一个双星系统为研究对象后,科学家们需要通过足量的观测确定该系统的轨道周期,然后对双星系统内的可见恒星的光谱进行研究,利用多普勒效应确定可见恒星的轨道速度和轨道半径,并以此对可见恒星的质量进行估计,然后再用综合以上信息算出的系统总质量减去可见恒星的估计质量得出不可见星的质量,最后将结果与现有恒星演化理论所给出的数据进行比较,一般计算结果如果大于 3 倍太阳质量该不可见星就可被认为是黑洞,而小于三倍太阳质量的则有可能是中子星。

历史上比较著名的两个例子是 Cygnus X-1 和 V404 Cygni,其中 Cygnus X-1 由于被观测到有强 X 射线被射出(一般在周围物质落入黑洞时会被不断加速并被撕碎进而发生电离,放出 X 射线),早在 1972 年就被划为是存在黑洞的候选系统之一,科学家们在随后对该系统中可见蓝巨星(质量约为 25 倍太阳质量)的观测中,通对观测数据进行分析,用上述方法得出该系统中的不可见星质量高达约 8 到 10 倍太阳质量,远超中子星的质量范围,因此被许多天文学家认为该系统中的不可见星的本体可能就是一个黑洞。

而 V404 Cygni 则是 X 射线放射强度不均衡的系统代表,科学家们通过对其进行长期跟踪观测,终于在 1989 年观测到因突然吸入大量物质而放出的高强 X 射线(约为该系统正常数值的 200 倍),并结合此前的观测信息,算出该系统内抛去重约 12 倍太阳质量的可见星,其内的不可见星质量约为 8 到 15.5 倍太阳质量,因此很可能是一个黑洞。

而此次我国科研团队用 LAMOST 所发现的这颗双星系统内的"黑洞"在质量上远超所有已知类似系统内的黑洞质量,而该黑洞存在的事实也无疑将能帮助科学家们更好地完善我们现有的恒星演变理论,甚至是提出新的假设。

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