來源:經濟日報

原标題：颠覆人們對恒星級黑洞形成的傳統認知——揭開“黑洞之王”的神秘面紗

圖① 存在于星系中心的超大質量黑洞。 （來源：NASA）

圖② 巨型黑洞藝術想象圖。喻京川繪

圖③ 我國自主研制的郭守敬望遠鏡LAMOST。 （資料圖片）

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日淩晨，我國科學家宣布：依托我國自主研制的郭守敬望遠鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”。這颠覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，有望推動恒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。

“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。

經過科學家們的不懈努力，11月28日淩晨，我國科學家宣布：依托我國自主研制的郭守敬望遠鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系内發現的恒星級黑洞，大小為太陽質量的70倍，距離我們約1.5萬光年。

恒星級黑洞中的這顆“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，它将迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。”專家們表示。

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确解，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，天文學家曆時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“看不見摸不着”的詭異天體有了一絲親和力。

黑洞到底是什麼，為何一代代天文學家為之如此着迷？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倍于太陽質量的恒星壓縮到直徑為北京六環大小的球體中，這樣的密度就相當于黑洞的密度。

根據黑洞質量的不同，天文學家将黑洞大緻分為恒星級黑洞（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）。恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

按照科學家們的認知，一顆恒星演化到最後如果剩下的質量太多，即大于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恒星在終極引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。

“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着超大質量黑洞，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。”國家天文台研究員劉繼峰說。

“捕捉”黑洞

神秘又有趣，若龍潛深淵隐藏爪牙，潛行于宇宙星海中。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？

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，進而推知黑洞并合事件，但這僅适用于稀少的雙黑洞，即兩個星系碰撞合并後産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，并測量黑洞質量。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。

原來，黑洞雖然不發光，不過它們身邊的小夥伴們實在是太高調，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恒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“回光返照”，而就是這一“照”，成為天文學家這些年追尋黑洞蹤迹的強有力線索。迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級黑洞均通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識别的。

按照理論預測，銀河系中應該有上億顆恒星級黑洞，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。

既然如此，對于這些平靜态，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恒星級黑洞的過程中給出了全新答案。

LAMOST再立功

這顆距離地球1.5萬光年之外的恒星級“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。

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，但由于設備靈敏度以及海量數據處理的難題，最終收效甚微。迫于現實，科學家們想到了利用X射線來識别黑洞的方法，但也困難重重。

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，我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡LAMOST派上用場。

我們知道，黑洞是由大質量的恒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、顔色、位置。”中國科學院國家天文台高級工程師白仲瑞介紹，這其中，顔色是科學家們常常使用的觀測依據，而顔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。

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公開發布了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”。

“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”。

2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文台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，并選擇了開普勒一個天區中的3000多顆恒星開展了為期兩年的光譜監測。結果發現，在一個X射線輻射甯靜的雙星系統（LB-1）中，一顆8倍太陽質量的藍色恒星，圍繞一個“看不見的天體”做着周期性運動，這個“看不見的天體”還表現不同尋常的光譜特征。

這顆B型星背後一定有故事，它到底在繞着看不見的“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，研究人員随即申請了西班牙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，進一步确認了B型星的光譜性質。

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，它隻能是黑洞。”劉繼峰稱。

颠覆傳統認知

故事至此還沒有結束。

根據目前的恒星演化模型，隻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恒星演化理論的“禁區”。換句話說，銀河系中單個恒星黑洞的質量不應該超過太陽的20倍。而LAMOST的發現，可能意味着有關恒星演化形成黑洞的理論将被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。

事實究竟是怎樣的？答案是：繼續觀測并驗證。“在接下來的長達兩年之久的監測時間裡，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。

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在發現這顆巨大恒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。與其他已知的恒星級黑洞不同，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射線天文台對該源進行觀測，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”的恒星級黑洞“冠軍”。

這一發現有何意義？美國激光幹涉引力波天文台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。

劉繼峰說，LB-1是一個X射線輻射甯靜的雙星系統，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态的黑洞雙星，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，相信天文學家将會發現一批深藏不露的平靜态黑洞，從而逐步揭開這個黑暗“家族”的内幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質量分布邁出标志性的一步。

“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）