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LAMOST-天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新答案

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【腾格里沙漠污染物】

LAMOST再立功這顆距離地球1.5萬光年之外的恆星級“黑洞之王”,其發現與一個默默奉獻的“大功臣”——LAMOST,密不可分。“如果利用一架普通4米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,相同幾率下,則需要40年時間,這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。”劉繼峰表示。

既然如此,對於這些平靜態,即不吸積伴星氣體的黑洞,該如何搜尋呢?天文學家在發現這顆最大恆星級黑洞的過程中給出了全新答案。

“球狀星團和矮星系中心或許有中等質量的黑洞,而在星系的中心存在著超大質量黑洞,比如銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。”國家天文臺研究員劉繼峰說。

事實究竟是怎樣的?答案是:繼續觀測並驗證。“在接下來的長達兩年之久的監測時間里,LAMOST共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。”劉繼峰說。

“捕捉”黑洞神秘又有趣,若龍潛深淵隱藏爪牙,潛行於宇宙星海中。可黑洞本身不發光,天文學家如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢?

“事實有時候比小說更奇妙,黑洞最能真實地體現這一點,它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙。”霍金在其最後的著作《十問》中這樣寫道。

根據黑洞質量的不同,天文學家將黑洞大致分為恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100倍至10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的,是宇宙中廣泛存在的“居民”。

時光不負情深。最終的結果成就了LAMOST的這段佳話。為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恆星級黑洞上作出的貢獻,天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1。與其他已知的恆星級黑洞不同,LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到,這顆黑洞與它的伴星相距較遠,有1.5倍日地距離。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺對該源進行觀測,發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱,是一個“平靜溫和”的恆星級黑洞“冠軍”。

按照理論預測,銀河系中應該有上億顆恆星級黑洞,不過在黑洞雙星系統中,能夠發出X射線輻射的僅占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時,我們的“大胃王”也會表現出平靜溫和的一面。

怎麼辦?找到新的方法,發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學界近年來研究的熱點和難點。關鍵時刻,我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡LAMOST派上用場。

答案是間接觀測。劉繼峰介紹,觀測驗證黑洞通常有兩種方法,一種是通過引力波實驗聆聽時空的漣漪,進而推知黑洞併合事件,但這僅適用於稀少的雙黑洞,即兩個星系碰撞合併後產生的兩個相互繞轉的黑洞。還有一種方法是通過監測明亮伴星的運動推知黑洞存在,並測量黑洞質量。過去50年裡,人們用該種方法發現了約20顆黑洞,質量均在3倍到20倍太陽質量之間。

經過科學家們的不懈努力,11月28日凌晨,我國科學家宣佈:依托我國自主研製的郭守敬望遠鏡LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系內發現的恆星級黑洞,大小為太陽質量的70倍,距離我們約1.5萬光年。

劉繼峰說,LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統,利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來,人們認為徑向速度監測可以發現平靜態的黑洞雙星,這顆迄今最大質量黑洞的發現證實了這一點。利用LAMOST大規模巡天優勢和速度監測方法,相信天文學家將會發現一批深藏不露的平靜態黑洞,從而逐步揭開這個黑暗“家族”的內幕,為研究黑洞成員的形成演化以及質量分佈邁出標誌性的一步。

根據光譜信息,研究人員計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度,質量約為8倍太陽質量,年齡約為35百萬年,距離我們1.4萬光年。“再輔以其他證據,研究人員計算出該雙星系統中存在一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體,它只能是黑洞。”劉繼峰稱。

顛覆傳統認知故事至此還沒有結束。根據目前的恆星演化模型,只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞,因此,LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恆星演化理論的“禁區”。換句話說,銀河系中單個恆星黑洞的質量不應該超過太陽的20倍。而LAMOST的發現,可能意味著有關恆星演化形成黑洞的理論將被迫改寫,或者以前某種黑洞形成機制被忽視。

恆星級黑洞中的這顆“小霸王”黑洞,其質量超乎科學家們的想象。“這是一個非凡的發現,它將迫使天文學家改寫恆星級黑洞的形成模型。”專家們表示。

追逐茫茫宇宙中那個遙遠神秘天體,數百年來無數科學家前赴後繼。11月28日凌晨,我國科學家宣佈:依托我國自主研製的郭守敬望遠鏡LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”。這顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知,有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新——宇宙神秘面紗正一點點向世人揭開。

這一發現有何意義?美國激光干涉引力波天文臺LIGO從2015年起,通過探測引力波的方法發現了數十倍太陽質量的黑洞;2017年,雷納·韋斯、基普·索恩和巴裡·巴裡什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。

“工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST這台“天文利器”,助力天文學家發現了今天的主角“黑洞之王”。

宇宙吸光器1915年愛因斯坦提出廣義相對論,德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解,預言了黑洞的存在。自此,人類就沒有停止過對這種神秘天體的想象和探索。2015年,首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據。今年,天文學家歷時10年利用四大洲8個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據——首張黑洞“芳容”,讓這個曾經“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。

原來,黑洞雖然不發光,不過它們身邊的小伙伴們實在是太高調,周邊的吸積盤或者伴星都表現出異樣的“氣場”:如果黑洞與一顆正常恆星組成一個距離較近的雙星系統,黑洞就會露出猙獰的爪牙,以強大的“胃口”直接把這顆伴星上的氣體物質吸過來,形成吸積盤,發出明亮的X射線光。這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的“迴光返照”,而就是這一“照”,成為天文學家這些年追尋黑洞蹤跡的強有力線索。迄今為止,銀河系中幾乎所有的恆星級黑洞均通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。

2016年初,LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文臺韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜,開展雙星系統的研究計劃,並選擇了開普勒一個天區中的3000多顆恆星開展了為期兩年的光譜監測。結果發現,在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(LB-1)中,一顆8倍太陽質量的藍色恆星,圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動,這個“看不見的天體”還表現不同尋常的光譜特征。

而收集這些巨量“條形碼”恰恰是“光譜之王”——LAMOST所擅長的。白仲瑞說,LAMOST擁有4000顆眼睛(4000根光纖),一次能觀測近4000個天體。2019年3月,LAMOST公開發佈了1125萬條光譜,被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

按照科學家們的認知,一顆恆星演化到最後如果剩下的質量太多,即大於3倍太陽質量,則既不能形成白矮星,也不能成為中子星,一旦進入死亡階段,就沒有任何力量可以阻止這顆恆星在終極引力的作用下持續塌縮,最終形成緻密的黑洞。

黑洞到底是什麼,為何一代代天文學家為之如此著迷?本身不發光,具有超強吸引力,任何從其身邊經過的物質,就連速度最快的光也無法逃離——黑洞,是個名副其實的宇宙真空“吸光器”。不僅如此,它的密度出奇地大。有多大?把10倍於太陽質量的恆星壓縮到直徑為北京六環大小的球體中,這樣的密度就相當於黑洞的密度。

他說,早在上世紀六七十年代,人類就已經調動了大量觀測資源來發現黑洞,但由於設備靈敏度以及海量數據處理的難題,最終收效甚微。迫於現實,科學家們想到了利用X射線來識別黑洞的方法,但也困難重重。

這顆B型星背後一定有故事,它到底在繞著看不見的“誰”在運動?莫非真的是黑洞!天文學家在追逐宇宙真相的道路上從來不會輕易放過任何一種可能。短暫的激動興奮過後,研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡協助觀測,進一步確認了B型星的光譜性質。

我們知道,黑洞是由大質量的恆星死亡後發生引力塌縮形成的。“研究天體,科學家們常常有3個觀測維度:明暗、顏色、位置。”中國科學院國家天文臺高級工程師白仲瑞介紹,這其中,顏色是科學家們常常使用的觀測依據,而顏色又會在光譜特征上有所表現。“換句話說,光譜就像天體的‘條形碼’。”白仲瑞解釋。

“接下來,利用LAMOST極高的觀測效率,天文學家有望發現一大批‘深藏不露’的黑洞,開創批量發現黑洞的新紀元。”劉繼峰表示。(記者 沈 慧)