如何觀測(cè)恒星級(jí)黑洞？黑洞捕手出擊

出品：新浪科技《科學(xué)大家

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撰文：

王松，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)助理研究員，主要從事黑洞雙星和恒星活動(dòng)性的研究

李雙，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)工程師，LAMOST運(yùn)行和發(fā)展中心宣傳主管

陸由俊，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員、中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授，研究方向?yàn)槔碚撎祗w物理，包括黑洞物理、引力波天體物理和星系宇宙學(xué)

劉繼峰，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、研究員，中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng)。研究方向包括致密雙星，恒星活動(dòng)性等

2019年11月28日，國際頂尖科學(xué)期刊《自然》在線發(fā)布了我國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。中國科學(xué)院國家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，這顆70倍太陽質(zhì)量的超大恒星級(jí)黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，勢(shì)必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。

一、宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《十問》中寫道，“事實(shí)有時(shí)候比小說更奇妙，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。 1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)示了黑洞的存在。自此人類就沒有停止過對(duì)這種神秘天體的想象和探索。

1965年，天鵝座X-1因其強(qiáng)X射線輻射成為第一顆被發(fā)現(xiàn)的黑洞侯選體;2015年，首次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據(jù);2019年，天文學(xué)家歷時(shí)10年利用四大洲八個(gè)觀測(cè)點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺證據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。黑洞到底是什么，為何讓一代代天文學(xué)家為之如此著迷?本身不發(fā)光，密度非常大(把10倍于太陽質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中，這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度)，具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)，就連速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以說，黑洞是名副其實(shí)的宇宙真空“吸光器”。

天文學(xué)家根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，將黑洞大致分為恒星級(jí)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)。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的 “居民”。一顆恒星演化到最后如果剩下的質(zhì)量太多(大于3倍太陽質(zhì)量)，多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進(jìn)入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恒星在終極引力的作用下持續(xù)塌縮，最終形成致密的黑洞。球狀星團(tuán)和矮星系中心或許有中等質(zhì)量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質(zhì)量黑洞，比如銀河系中心就有一個(gè)約400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。

二、如何觀測(cè)恒星級(jí)黑洞

黑洞神秘而又有趣，若龍潛深淵，隱藏爪牙，潛行于宇宙星海中。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)密近雙星系統(tǒng)，黑洞就會(huì)露出猙獰的爪牙，以強(qiáng)大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線光(圖一)。這些X射線光如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一“照”成為天文學(xué)家過去這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。然后，天文學(xué)家會(huì)通過監(jiān)測(cè)伴星的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量黑洞的質(zhì)量，這適用于明亮伴星的黑洞系統(tǒng)。另一種方法是對(duì)于稀少的雙黑洞，科學(xué)家主要通過引力波實(shí)驗(yàn)聆聽時(shí)空的漣漪，進(jìn)而推知黑洞并合事件。

迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級(jí)黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識(shí)別的。過去的五十年里，人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約二十顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽質(zhì)量之間。

銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論預(yù)測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億顆大質(zhì)量死亡形成的恒星級(jí)黑洞，而在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的只占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)時(shí)，我們的“大胃王”也會(huì)表現(xiàn)出平靜溫和的一面，那對(duì)于這些平靜態(tài)(不吸積伴星氣體)的黑洞如何來搜尋呢?天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過程中給出了全新的答案。

圖一 黑洞吸積噴射出X射線的藝術(shù)想象圖(來自網(wǎng)絡(luò))

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

國家天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在浩瀚星海中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)表現(xiàn)異常的雙星系統(tǒng)，這其中會(huì)不會(huì)包含一顆深藏不露的黑洞?700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺(tái)韓占文院士提出利用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并選擇了開普勒一個(gè)天區(qū)(K2-0)中的3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年的光譜監(jiān)測(cè)。在這其中有一顆“走路拉風(fēng)”的B型星引起了研究人員的關(guān)注，這顆星表現(xiàn)出規(guī)律地周期性運(yùn)動(dòng)和不同尋常的光譜特征。

這條LAMOST“眼中”的B型星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，光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的明線(Hα發(fā)射線)給這顆星增添了足夠的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星背后一定有故事，它到底在繞著看不見的“誰”運(yùn)動(dòng)?莫非真的是黑洞!天文學(xué)家在追逐宇宙真相的道路上從來都不會(huì)輕易放過任何一種可能。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這顆特殊B型星背后的真相，研究人員隨即申請(qǐng)了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡(GTC)的21次觀測(cè)和美國10米凱克望遠(yuǎn)鏡(Keck)的7次高分辨率觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。

圖二 LB-1系統(tǒng)中B型星和黑洞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和速度曲線

根據(jù)光譜信息，研究人員計(jì)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。根據(jù)B型星和Hα發(fā)射線的速度振幅之比，研究人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。B型星背后的“大BOSS”就這樣被天文學(xué)家挖了出來，這樣的結(jié)果無疑是讓人們興奮和驚喜的，然而機(jī)遇永遠(yuǎn)都是留給有準(zhǔn)備的人，沒有兩年前茫茫星海的“撒網(wǎng)”，也便沒有今天這個(gè)“主角”的出現(xiàn)。

為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上做出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個(gè)包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為L(zhǎng)B-1(圖三)。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠(yuǎn)(1.5倍日地距離)。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)其伴星吸積非常微弱，是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級(jí)黑洞 “冠軍”。

圖三 LB-1的藝術(shù)想象圖(喻京川繪)

LB-1是一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，利用常規(guī)X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長(zhǎng)期以來，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。

四、黑洞“冠軍”的前世今生

從2015年起，美國激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)及歐洲室女座引力波天文臺(tái)(Virgo)的引力波觀測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系里的恒星級(jí)黑洞。

此次研究人員發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽質(zhì)量的超級(jí)黑洞不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞，同時(shí)刷新了人類對(duì)于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知(圖四)。

該論文第一作者劉繼峰研究員介紹說，一般模型認(rèn)為大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞主要形成于低金屬豐度(低于1/5太陽金屬豐度)環(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化理論預(yù)言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)突破了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。這可能意味著有關(guān)恒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(jī)制被忽視。LIGO臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)。雷茨評(píng)論說，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學(xué)家改寫恒星級(jí)質(zhì)量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里L(fēng)IGO及Virgo探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興”。

圖四 LB-1和引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布

另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。研究人員猜想，LB-1最初是一個(gè)三體系統(tǒng)，觀測(cè)到的B型星位于最外軌道，是質(zhì)量最小的組成部分，而現(xiàn)在的黑洞是由最初內(nèi)部的雙星形成的雙黑洞并合而成。在這種情形下，該系統(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，并為研究三體系統(tǒng)中雙黑洞形成提供了獨(dú)一無二的實(shí)驗(yàn)室。

五、 “光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就

這顆 “黑洞之王”的發(fā)現(xiàn)充分證實(shí)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛(4000根光纖)，一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬的光譜巡天項(xiàng)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”(圖五)。

先進(jìn)設(shè)備促生新發(fā)現(xiàn)，本次研究中，我國自主研制的LAMOST起了不可替代的作用。從2016年11月開始，為了發(fā)現(xiàn)和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對(duì)開普勒一個(gè)天區(qū)的3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)間約40小時(shí)。如果利用一架普通四米望遠(yuǎn)鏡專門來尋找這樣一顆黑洞(一年觀測(cè)365天，每天觀測(cè)8小時(shí))，同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間!這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率!

圖五 LAMOST望遠(yuǎn)鏡與星空(國家天文臺(tái)供圖)

“工欲善其事必先利其器”，LAMOST這臺(tái)“天文利器”助力天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了今天的主角“黑洞之王”，而“黑洞之王”的現(xiàn)身也為“光譜之王”——LAMOST增添了更多精彩。

這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，也是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，它的出現(xiàn)將標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)搜尋黑洞新時(shí)代的到來。相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界津津樂道的一段佳話。

黑洞捕手計(jì)劃

六、

LAMOST是我國科學(xué)家自主創(chuàng)新研制的一架主動(dòng)反射施密特天文望遠(yuǎn)鏡。它應(yīng)用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在觀測(cè)中鏡面曲面連續(xù)變化、不同瞬間是不同的施密特光學(xué)系統(tǒng)，突破了天文望遠(yuǎn)鏡大口徑與大視場(chǎng)難以兼得的瓶頸，是世界上口徑最大的大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡。

2019年3月，郭守敬望遠(yuǎn)鏡巡天七年對(duì)外發(fā)布光譜1125萬條，是世界上其它巡天項(xiàng)目發(fā)布光譜數(shù)之和的2倍。在銀河系大規(guī)模光譜巡天方面，LAMOST首次實(shí)現(xiàn)了天區(qū)覆蓋、巡天體積、采樣密度及統(tǒng)計(jì)完備性等方面的重大突破，填補(bǔ)了中國大型天文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空白，為開展銀河系特別是銀盤的系統(tǒng)研究提供了極好的、具有傳承價(jià)值的樣本。

接下來，該研究團(tuán)隊(duì)將開展黑洞獵手計(jì)劃：借助LAMOST繼續(xù)觀測(cè)其他四個(gè)天區(qū)，利用視向速度監(jiān)測(cè)和天測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的方法，預(yù)計(jì)五年內(nèi)批量發(fā)現(xiàn)近百個(gè)黑洞，并測(cè)量出它們的質(zhì)量，從而逐步揭開這個(gè)黑暗“家族”的內(nèi)幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步，開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。

問：LB-1為什么叫“黑洞之王”？

答：我們這次發(fā)現(xiàn)的黑洞有70個(gè)太陽質(zhì)量，已經(jīng)超過了現(xiàn)有理論所允許的最大質(zhì)量的上限兩倍有余。所以我們稱它為“黑洞之王”。

問：它是宇宙中最大的黑洞嗎？

答：黑洞有兩類，一類是星系中心的超大質(zhì)量黑洞;一類是恒星死亡形成的恒星級(jí)黑洞，這個(gè)黑洞是恒星級(jí)黑洞中最大的。

問：最小的黑洞有多小?

答：在宇宙形成的早期有一些原初的黑洞，這些黑洞可以非常小，小到一個(gè)原子大小。不過它們存在的時(shí)間也非常短，今天已經(jīng)看不到了。

問：新發(fā)現(xiàn)的“黑洞之王”離我們有多遠(yuǎn)？

答：我們新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)黑洞在銀河系反銀心的方向，離我們差不多是有14000光年的地方。

問：天文學(xué)家過去如何尋找黑洞？

答：一種是通過引力波探測(cè)器來聆聽雙黑洞并合驅(qū)動(dòng)的時(shí)空震顫來倒推黑洞。另外一種是通過觀察黑洞伴星的運(yùn)動(dòng)來倒推黑洞的存在。

問：LAMOST是怎樣找黑洞的？

答：要想在幾千個(gè)明亮的天體里面找到一個(gè)黑洞的話，你需要把這些天體看個(gè)遍，那我們LAMOST就有這個(gè)特殊的本事，能一次性的看幾千個(gè)天體。我們?cè)谶@些數(shù)以千計(jì)的天體里面發(fā)現(xiàn)了這個(gè)黑洞。

問：黑洞是只進(jìn)不出嗎？

答：一般我們會(huì)認(rèn)為黑洞是大胃王，主要是是吞噬物質(zhì)，但實(shí)際上，黑洞還有霍金輻射，霍金輻射可以把黑洞里的物質(zhì)帶走，造成黑洞物質(zhì)的損失。

問：黑洞壽命多久，會(huì)死亡嗎？

答：黑洞的質(zhì)量是有損失的。原初的那些小黑洞，到現(xiàn)在已經(jīng)基本蒸發(fā)殆盡了，壽終正寢了。當(dāng)然，我們今天發(fā)現(xiàn)的這個(gè)黑洞，還有那些超大質(zhì)量的黑洞，它們的壽命要比宇宙的壽命長(zhǎng)得多。

問：黑洞會(huì)把宇宙吞噬掉嗎？

答：我們說黑洞的強(qiáng)引力場(chǎng)，實(shí)際上是指只有在它離得近的時(shí)候才強(qiáng)，當(dāng)離的遠(yuǎn)的時(shí)候，它其實(shí)跟一個(gè)一般的恒星，并沒有什么太大區(qū)別，所以從這個(gè)意義上說，我們不用擔(dān)心，黑洞是不會(huì)把宇宙吞噬進(jìn)去的。

問：我們會(huì)為“黑洞之王”拍照片嗎？

答：我們這次發(fā)現(xiàn)的黑洞是恒星級(jí)的黑洞，質(zhì)量非常小，它的視界也非常小，相比于前一陣做過照片的超大質(zhì)量、M87黑洞，它的視界要小的多的多，我們目前的技術(shù)還沒有辦法給它拍照片。如果非要做一個(gè)，跟我們此前看到的黑洞照片相比，連一個(gè)點(diǎn)兒都算不上，要小得多的多。(回答者：劉繼峰 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)、研究員，中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院常務(wù)副院長(zhǎng))

關(guān)鍵詞： 恒星級(jí)黑洞