发现迄今“最重”恒星级黑洞意味着什么?

2019-11-30 07:51:00 来源:央广网 作者:央广网

  巡天7年,我国自主研制的国家重大科技基础设施——郭守敬望远镜(简称LAMOST)再立大功。近日,依托这一“千里眼”,中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队突破传统观测方法,发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,这颗70倍太阳质量的黑洞远超目前天文学理论预言的质量上限,被科学家们称为银河系内的“黑洞冠军”。该成果于北京时间11月28日凌晨在国际期刊《自然》上发表。

  一颗新天体:刷新黑洞形成理论

  黑洞作为一种本身不发光的神秘天体,在宇宙中难以被直接“看到”。在分类上,黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。其中,恒星级黑洞是由大质量的恒星死亡塌缩形成的。

  南京大学天文与空间科学学院院长李向东介绍,在恒星转化为黑洞的过程中,恒星中除氢和氦以外的所有元素总数,即金属丰度是一个重要参数。一直以来,黑洞形成的理论模型认为,大质量的恒星级黑洞主要形成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)的环境中,因此,恒星这类天体在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞,然而,刘继峰、张昊彤研究团队本次发现的黑洞,金属丰度近似于太阳,但计算结果显示,质量上大于太阳70倍,显然已经突破了现有恒星演化理论。

  “这样的结果让当时的我们有点不敢相信。”国家天文台副台长、研究员刘继峰回忆。他认为,这个新发现的黑洞质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”,“这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视”。

  一种新方法:不依托X射线也能捕捉黑洞

  天文学理论预言,人类所处的银河系中就有上亿颗恒星级黑洞,但迄今为止,天文学家仅在银河系内发现了约20颗恒星级黑洞。这又是为什么呢?

  原来,正因为“看不见”黑洞,科学家们只能“迂回”地通过其他现象来研究。刘继峰介绍,物质在被黑洞吞噬的过程中,会产生X射线。人类通过光谱仪捕捉这些射线,形成数据,由此计算出黑洞的位置、规模和质量等特征。然而,并非所有黑洞在吸收物质时都有明亮的X射线,因此,找到新的方法,发现更多没有X射线辐射的黑洞,成了天文学界近年来研究的热点。

  记者了解到,从2016年秋季开始,本次研究团队开始利用LAMOST监测银河系内一个小天区的3000多颗恒星,跟踪它们的光谱变化。结果发现,在一个X射线辐射非常宁静的双星系统(简称LB-1)中,一颗有8倍太阳质量的蓝色恒星,围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。它光谱中一条近乎静止且运行方向和恒星本身反相位的Hα发射线成为科学家的新线索。

  他们推断,那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。为此,研究团队又先后通过西班牙和美国的光谱望远镜进一步确认验证了LB-1的光谱性质,最终通过观测到的数据,计算出这颗恒星年龄约为35百万年,距离我们1.4万光年,金属丰度相当于太阳,而这颗新发现的黑洞质量竟达到了太阳的70倍。

  刘继峰说:“这个黑洞从未在任何X射线观测中被探测到,它的X射线辐射非常宁静,所以,我们为天文界提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。”

  一个新证明:LAMOST不愧“光谱之王”

  新闻发布会上,李向东向记者强调:“此次研究成果的获得,LAMOST功不可没,这是我们依托我国自主研发的天文设备进行的开创性研究,证明了它强大的光谱获取能力。”

  国家天文台高级工程师白仲瑞介绍,LAMOST拥有4000颗“眼睛”即光纤,一次能观测近4000个天体,可谓“一眼千星”。2019年3月,LAMOST公开发布了1125万条光谱,成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

  在本次研究中,历时两年的监测里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。刘继峰表示,如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的概率下,估计需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

  “这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,也是LAMOST发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来,天文学家有望发现更多‘深藏不露’的平静态黑洞。”刘继峰说。

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责任编辑:黄新

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