覲見“黑洞之王”—圖文

2019-11-29  來源:  作者:資陽新聞中心

 

LB-1的藝術想象圖 喻京川繪

■本報記者 丁佳

黑洞對人類的吸引力,幾乎和它本身的引力一樣強大。

2019年可以說是“黑洞之年”。上半年,天文學家歷時10年,捕獲了首張黑洞“芳容”,一度成為全球矚目的焦點;半年后,中國科學家主導的一項研究,發現了銀河系中的“恒星級黑洞之王”,將人類探索黑洞的歷史再次向前推進。

北京時間11月28日凌晨,《自然》雜志發表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。研究團隊依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),發現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞。

這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限,顛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。

沉默的大多數

黑洞是一種本身不發光的神秘天體,它的密度非常大,具有超強的吸引力,任何物質,包括光也無法從它身邊逃離,是宇宙中名副其實的“吸光器”。

根據黑洞質量的不同,天文學家將黑洞大致分為100倍太陽質量以下的恒星級黑洞、100~10萬倍太陽質量的中等質量黑洞和10萬倍太陽質量以上的超大質量黑洞。

其中,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”。

“理論預言,銀河系中應該有上億顆這種恒星級的黑洞。”論文第一作者、中科院國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰說,“但過去幾十年,人們只發現了大概20個。”

剩下的上億個黑洞到底去哪了?劉繼峰認為,這可能與觀測方法有關。

黑洞雖然不發光,但當它與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統時,就會露出“猙獰”的面目,以強大的“胃口”把恒星伴星上的氣體物質吸過來,形成吸積盤,發出明亮的X射線,這些X射線就如同這些物質被黑洞吞噬前的“回光返照”。

此前,科學家就是通過這些X射線來識別黑洞的,50年來,人們用這種方法發現了約20個黑洞,它們的質量均在3~20倍太陽質量之間。

可是,當黑洞和它的伴星距離較遠時,“大胃王”也會表現出平靜溫和的一面,黑洞雙星系統中,能夠發出X射線輻射的其實只占一小部分。對于這些“沉默的大多數“,又該如何去搜尋呢?

“走路拉風”的B型星

2016年初,中科院國家天文臺研究員、LAMOST科學巡天部主任張昊彤和中科院院士韓占文利用LAMOST觀測雙星光譜,開展雙星系統的研究計劃,并選擇銀河系一個天區中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監測。

其中,一顆“走路拉風”的B型星引起了科研人員的注意。在一個X射線輻射寧靜的雙星系統中,這顆8倍太陽質量的藍色恒星,似乎在圍繞一個看不見的天體做著周期性運動。

“我們懷疑,這顆星星的背后一定有故事。它到底在繞著誰運動?”論文作者之在家用電腦怎么賺錢一、國家天文臺研究生鄭傳杰說。

不同尋常的光譜特征表明,那個“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。研究人員隨即進行了確認,他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡,進一步確認了這個雙星系統的光譜性質,并計算出這個“看不見的天體”質量大約是太陽的70倍。

這么大的質量,它只能是黑洞!

目前的恒星演化理論預言,在太陽金屬豐度下,只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞。但顯然,這顆新發現的黑洞已經突破了現有的理論限制。

“當初得到這個結果,我們也感到很意外,不敢相信。《自然》雜志的審稿人也非常謹慎,提出了很多問題。但我們反復計算,事實就是如此。”劉繼峰告訴《中國科學報》,這一發現可能意味著有關恒星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者還有某種黑洞形成機制被人們忽視了。

“黑洞獵手”

對這一發現,美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)臺長大衛·雷茨評論稱:“在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞,將迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果,將與過去4年里LIGO及歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)探測到的雙黑洞并合事件一起,推動黑洞天體物理研究的復興。”

其實從2015年起,LIGO和Virgo的引力波觀測實驗已發現了幾十倍太陽質量的黑洞,但它們都位于遙遠的地方,也就是在宇宙較早期形成的。而此次發現的這顆70倍太陽質量的“黑洞之王”,不僅揭示了銀河系內也存在此類大質量恒星級黑洞,同時刷新了人類對恒星級黑洞質量上限的認知。

值得一提的是,在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。據估算,如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,在同樣的幾率下,則需要40年時間。

LAMOST超高的觀測效率也給了劉繼峰等人更充足的信心。他透露,科研團隊將開展一個“黑洞獵手”計劃,預計在5年內發現并測量近百個黑洞,并最終描畫出一幅黑洞群像。

到那時,是否還會有新的“黑洞之王”出現呢?我們不妨拭目以待。

《中國科學報》 (2019-11-29 第1版 要聞)

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