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觐见“黑洞之王”—图文

点击次数:0  更新时间:2019-11-30 08:32 

 

LB-1的艺术想象图 喻京川绘

■本报记者 丁佳

黑洞对人类的吸引力,几乎和它本身的引力一样强大。

2019年可以说是“黑洞之年”。上半年,天文学家历时10年,捕获了首张黑洞“芳容”,一度成为全球瞩目的焦点;半年后,中国科学家主导的一项研究,发现了银河系中的“恒星级黑洞之王”,将人类探索黑洞的历史再次向前推进。

北京时间11月28日凌晨,《自然》杂志发表了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。研究团队依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),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理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

沉默的大多数

黑洞是一种本身不发光的神秘天体,它的密度非常大,具有超强的吸引力,任何物质,包括光也无法从它身边逃离,是宇宙中名副其实的“吸光器”。

根据黑洞质量的不同,天文学家将黑洞大致分为100倍太阳质量以下的恒星级黑洞、100~10万倍太阳质量的中等质量黑洞和10万倍太阳质量以上的超大质量黑洞。

其中,恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。

“理论预言,银河系中应该有上亿颗这种恒星级的黑洞。”论文第一作者、中科院国家天文台副台长、研究员刘继峰说,“但过去几十年,人们只发现了大概20个。”

剩下的上亿个黑洞到底去哪了?刘继峰认为,这可能与观测方法有关。

黑洞虽然不发光,但当它与一颗正常恒星组成一个密近双星系统时,就会露出“狰狞”的面目,以强大的“胃口”把恒星伴星上的气体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线,这些X射线就如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”。

此前,科学家就是通过这些X射线来识别黑洞的,50年来,人们用这种方法发现了约20个黑洞,它们的质量均在3~20倍太阳质量之间。

可是,当黑洞和它的伴星距离较远时,“大胃王”也会表现出平静温和的一面,黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的其实只占一小部分。对于这些“沉默的大多数“,又该如何去搜寻呢?

“走路拉风”的B型星

2016年初,中科院国家天文台研究员、LAMOST科学巡天部主任张昊彤和中科院院士韩占文利用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择银河系一个天区中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。

其中,一颗“走路拉风”的B型星引起了科研人员的注意。在一个X射线辐射宁静的双星系统中,这颗8倍太阳质量的蓝色恒星,似乎在围绕一个看不见的天体做着周期性运动。

“我们怀疑,这颗星星的背后一定有故事。它到底在绕着谁运动?”论文作者之一、国家天文台研究生郑传杰说。

不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。研究人员随即进行了确认,他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜,进一步确认了这个双星系统的光谱性质,并计算出这个“看不见的天体”质量大约是太阳的70倍。

这么大的质量,它只能是黑洞!

目前的恒星演化理论预言,在太阳金属丰度下,只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。但显然,这颗新发现的黑洞已经突破了现有的理论限制。

“当初得到这个结果,我们也感到很意外,不敢相信。《自然》杂志的审稿人也非常谨慎,提出了很多问题。但我们反复计算,事实就是如此。”刘继峰告诉《中国科学报》,这一发现可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写,或者还有某种黑洞形成机制被人们忽视了。

“黑洞猎手”

对这一发现,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫·雷茨评论称:“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去4年里LIGO及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴。”

其实从2015年起,LIGO和Virgo的引力波观测实验已发现了几十倍太阳质量的黑洞,但它们都位于遥远的地方,也就是在宇宙较早期形成的。而此次发现的这颗70倍太阳质量的“黑洞之王”,不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞,同时刷新了人类对恒星级黑洞质量上限的认知。

值得一提的是,在两年之久的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。据估算,如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,在同样的几率下,则需要40年时间。

LAMOST超高的观测效率也给了刘继峰等人更充足的信心。他透露,科研团队将开展一个“黑洞猎手”计划,预计在5年内发现并测量近百个黑洞,并最终描画出一幅黑洞群像。

到那时,是否还会有新的“黑洞之王”出现呢?我们不妨拭目以待。

《中国科学报》 (2019-11-29 第1版 要闻)
 
 
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