號外！迄今最大質量恆星級黑洞露出神秘面紗_風聞

北京時間2019年11月28日凌晨，國際頂尖科學期刊《自然》在線發佈了我國天文學家主導的一項重大發現。中國科學院國家天文台劉繼峯研究員、張昊彤研究員領導的研究團隊發現了一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，並提供了一種利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）巡天優勢尋找黑洞的新方法，這顆70倍太陽質量的超大恆星級黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，勢必推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。

宇宙吸光器

霍金在其最後的著作《十問》中寫道，“事實有時候比小説更奇妙，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”。本身不發光，密度非常大（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），具有超強的吸引力，任何從其身邊經過的物質，包括速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以説，黑洞是名副其實的宇宙真空“吸光器”。

天文學家根據黑洞質量的不同，將黑洞大致分為恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的。當一顆恆星演化到最後剩下的質量太多（大於3倍太陽質量），多到既不能形成白矮星，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引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。

黑洞神秘而有趣，它們若龍潛深淵，隱藏爪牙，潛行於宇宙時空中。既然黑洞本身不發光，天文學家如何在茫茫宇宙中尋找它們呢？奈何它們身邊的小夥伴們實在是太高調，周邊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密近雙星系統，黑洞就會露出猙獰的爪牙，以強大的胃口直接把恆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射線光如同物質被黑洞吞噬前的“迴光返照”，就是這一 “照”成為天文學家過去這些年追尋黑洞蹤跡的強有力線索（圖一）。

圖一 黑洞吸積噴射出X射線的藝術想象圖（來自網絡）

 迄今為止，天文學家發現的二十多顆恆星級黑洞幾乎都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的，質量均在3到20倍太陽質量。理論預測，銀河系中應該有上億顆恆星級黑洞，而在黑洞雙星系統中，能夠發出X射線輻射的只佔一小部分。長期以來，天文學家認為徑向速度監測可以發現X射線微弱的“平靜態”黑洞，這顆迄今最大質量黑洞的發現恰好證實了這點。

星星在繞“誰”運動？

國家天文台劉繼峯研究員和張昊彤研究員領導的研究團隊在浩瀚星海中發現了一個表現異常的雙星系統，這其中是否包含一顆深藏不露的黑洞呢？700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文台韓佔文院士提出利用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（K2-0）中的3000多個天體進行了為期兩年之久的光譜監測。其中有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關注，除了表現出規律地週期性運動，光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星相反的明線（Hα發射線）給這顆星增添了足夠的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星背後一定有故事，它到底在繞着看不見的“誰”運動？莫非真的是黑洞！！！

為了進一步發掘這顆B型星背後的真相，研究人員申請了西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡(GTC)和美國10米口徑凱克望遠鏡（Keck）的光譜觀測，確認了B型星的性質。通過擬合B型星和Hα發射線的速度曲線（圖二），結合B型星的質量大小（8倍太陽質量），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。B型星背後的“大BOSS”就這樣被天文學家挖了出來，這樣的結果無疑是讓人興奮的，然而機遇永遠都是留給有準備的人 ，沒有兩年前茫茫星海的“撒網”，也便沒有今天這個“主角”的出現。

圖二 LB-1系統中B型星和黑洞的運動規律和速度曲線

為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恆星級黑洞上做出的貢獻，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，這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離），是一個“平靜温和”的恆星級黑洞 “冠軍”。

圖三  LB-1的藝術想象圖（喻京川繪)

從2015年起，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的恆星級黑洞。這顆銀河系內70倍太陽質量黑洞的發現，再一次刷新了人類對於恆星級黑洞質量上限的認知。

圖四  LB-1和引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分佈

劉繼峯研究員介紹説，一般模型認為大質量恆星級黑洞主要形成於低金屬丰度環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬丰度相近的B型星。目前恆星演化理論預言在太陽金屬丰度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞，而這顆新發現黑洞的質量已經進入了現有恆星演化理論的“禁區”。LIGO台長大衞·雷茨評論，“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恆星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年裏美國激光干涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興”。

“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就

這顆 “黑洞之王”的發現充分證實了LAMOST望遠鏡強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛（光纖），一次能觀測近4000個天體，2019年LAMOST成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

在這顆超級黑洞的發現過程中，LAMOST歷時兩年對一個天區內的3000多個目標進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。如果利用一架普通四米口徑望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間！這充分體現了LAMOST望遠鏡超高的觀測效率！

“工欲善其事必先利其器”，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”，而“黑洞之王”的現身也為“光譜之王”——LAMOST增添了更多精彩。這顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，是LAMOST發現的第一顆黑洞，它的出現將標誌着利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。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。     

圖五 LAMOST望遠鏡與星空（國家天文台供圖）

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, 從而逐漸揭開這個黑暗家族的內幕，為研究黑洞形成演化及質量分佈邁出標誌性的一步。

作者簡介

王松，中國科學院國家天文台助理研究員，主要從事黑洞雙星和恆星活動性的研究。

李雙，中國科學院國家天文台工程師，LAMOST運行和發展中心宣傳主管。

陸由俊，中國科學院國家天文台研究員、中國科學院大學崗位教授，研究方向為理論天體物理，包括黑洞物理、引力波天體物理和星系宇宙學。

劉繼峯，中國科學院國家天文台副台長、研究員，中國科學院大學天文與空間科學學院常務副院長。研究方向包括緻密雙星，恆星活動性等。