中國天文學家發現迄今最大恆星級黑洞

北京時間2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發佈了中國科學院國家天文台劉繼峯、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。

LB-1的藝術想象圖 (喻京川繪)

黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質，包括光也無法從它身邊逃離。根據質量的不同，黑洞一般分為恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。這其中，恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。理論預言銀河系中有上億顆恆星級黑洞，但迄今為止，天文學家僅在銀河系發現了約20顆恆星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的、質量均小於20倍太陽質量的黑洞。

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。

2016年秋季開始，國家天文台領導的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時兩年監測了一個小天區內3000多顆恆星。結果發現，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統（LB-1）中，一顆8倍太陽質量的藍色恆星，圍繞一個“看不見的天體”做着週期性運動。不同尋常的光譜特徵表明，那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。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LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。值得一提的是，在兩年之久的監測時間裏，LAMOST共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。劉繼峯表示，如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

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

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。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”。美國激光干涉引力波天文台（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·索恩和巴里·巴里什因在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。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”。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。

這項工作是基於LAMOST（中國興隆）、加納利大望遠鏡（西班牙加納利羣島）、凱克望遠鏡（美國夏威夷）和錢德拉X射線天文台（美國）的觀測數據完成的。本研究共包括55位作者，來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、意大利、波蘭和荷蘭7個國家28家單位。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2