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中国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞!质量相当于70个太阳

来源:科普中国 作者:鞠强 发布时间:2019-12-02 17:04 浏览次数: 【字体:

黑洞是大家耳熟能详的天文学名词,也是天文学研究中的“明星”。作为宇宙中最神秘的天体,这个“明星”虽然没有任何光环(黑洞本身不发光),却极具吸引力(黑洞拥有极强的引力,连光都无法从它附近逃离),引发天文学家巨大的探索兴趣,中国天文学家自然也不例外。

就在今天,由中国科学院国家天文台刘继峰研究员和张昊彤研究员领导的一个国际合作团队在《自然》(Nature)上发表论文,宣布他们发现了一个质量为70倍太阳质量的黑洞——这是迄今为止天文学家发现的质量最大的恒星级黑洞。它的发现既对现有理论提出了挑战,又为未来的研究提供了线索[1]。

寻找恒星级黑洞

要想理解这个发现的意义,首先要了解恒星级黑洞的概念。在目前的黑洞理论中,黑洞可以根据质量的不同,分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。其中,恒星级黑洞的质量下限为5倍太阳质量左右,上限则为十几个到几十个太阳的质量;超大质量黑洞的质量一般在太阳质量的10万倍以上,最大可以达到太阳质量的100亿倍;中等质量黑洞的质量介于二者之间[2]。

2019年4月10日由事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)团队发布的世界上首张黑洞照片,这个黑洞就是一个超大质量黑洞,质量约为太阳质量的65亿倍 | EHT

这种按质量划分黑洞的方法,其实对应的是不同的黑洞形成机制。一般认为,恒星级黑洞形成于大质量恒星的坍缩,超大质量黑洞起源于星系中心的黑洞对物质的吸积以及黑洞的合并,而中等质量黑洞的起源尚不十分清楚,可能是恒星级黑洞的合并或者是形成于宇宙大爆炸的原初黑洞。

根据形成机制我们可以推断,由于宇宙中遍布恒星,而其中大质量恒星死亡后可能形成恒星级黑洞,因此恒星级黑洞应该广泛存在。但事实上,到目前为止,天文学家在距离地球几千到几万光年的范围内只发现了20个左右的恒星级黑洞,这些黑洞的质量最小在4倍太阳质量左右,最大也不超过20倍太阳质量。而且,它们都位于一个X射线双星系统中。

黑洞本身不发光,只能通过其他途径观测它们。在X射线双星系统中,黑洞由于巨大的引力会把伴星的气体吸向自己,这个剧烈的过程会发出X射线。天文学家就可以通过观测X射线信号来确认恒星级黑洞的存在[3]。

图中所示为2007年发现的恒星级黑洞M33 X-7,它位于双星系统M33中,其中还有一颗它的伴星。这个恒星级黑洞的质量为15.7倍太阳质量,是那时发现的质量最大的恒星级黑洞 | 参考资料[4]

LAMOST大显身手

样本数量的缺乏制约了天文学家对恒星级黑洞性质的了解,也使得他们无法对现有的恒星级黑洞理论进行有效的检验,因此,寻找更多的恒星级黑洞就变得非常重要。

从2016年秋天开始,这个研究团队利用位于河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST)开展对双星系统的研究。郭守敬望远镜于2008年建成,口径为4米,原名为大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope),2010年以我国元朝著名天文学家、数学家郭守敬命名[5]。

郭守敬望远镜 | Wikipedia Commons

通过大量的观测,他们在一个编号为LB-1的双星系统中,发现一颗质量为太阳质量8倍的恒星绕着一个不可见的天体运动。根据光谱分析的结果,他们认为这个这个不可见天体就是一个黑洞。在LAMOST观测的基础上,他们还使用西班牙加纳利大望远镜和美国凯克望远镜的观测数据进行了确认,并计算出这个黑洞的质量大约是太阳质量的70倍。

LB-1的艺术想象图,喻京川绘。图中所示的黑洞的伴星为蓝白色,这种颜色的恒星的质量在太阳质量的2.1倍至16倍之间 | 中国科学院国家天文台

在整个观测过程中,LAMOST对目标进行了26次观测,累计曝光时间约40个小时。如果使用的是普通的4米口径望远镜,那么在相同几率下完成这项工作需要40年的时间。可见运LAMOST的观测效率非常出色,同时也预示了采用同样的方法,天文学家有望在未来发现更多黑洞,从而获得检验黑洞理论的足够样本。

宇宙的巨大谜团

除了对X射线进行观测以便搜寻黑洞外,引力波信号也可以给天文学家带来黑洞的线索。2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish),以表彰他们领导美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到引力波。而他们第一次探测到的引力波信号就是来自一个29倍太阳质量的黑洞和一个36倍太阳质量的黑洞合并成一个62倍太阳质量的黑洞的过程[6]。

此后,随着LIGO的升级以及欧洲的室女座引力波天文台(Virgo)加入到引力波探测合作中,天文学家探测到的黑洞合并事件逐渐增多,这些观测也不断向我们提供有关黑洞质量的最新结果。

从图中我们可以看到,在数个黑洞合并事件中,合并前后黑洞的质量,同时还能看到通过X射线研究确定的黑洞的质量 | 参考资料[7]

虽然天文学家掌握广义相对论这样的理论工具以及不断更新的观测设备和技术,但对黑洞的形成和性质等问题还有很多不甚了解的地方。

这次公布的70倍太阳质量的恒星级黑洞,超过了目前理论预测质量的上限,天文学家不得不寻找修正现有恒星演化和黑洞形成理论的路径。在这个探索宇宙巨大谜团的过程中,天文学家可能会有更多的意外收获,从而深刻改变我们对宇宙的理解和认识。

一场未来的变革,也许就是从今天的这个发现开始。


参考资料:

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_black_hole

[4] https://www.newswise.com/articles/heaviest-stellar-black-hole-discovered-in-nearby-galaxy

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/LAMOST

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave#LIGO_and_Virgo_observations

[7] https://www.ligo.caltech.edu/image/76


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