刷新質量下限 最小黑洞填補觀測空白

刷新質量下限 最小黑洞填補觀測空白

天聞頻道

實習生 張臨謙 本報記者 劉 霞

近日，美國俄亥俄州立大學的研究人員發現了一種新型的小質量黑洞，填補了宇宙中已知中子星與黑洞之間存在的質量空白，將已觀測黑洞質量的下限降低了約三分之一。該研究日前發表在《科學》雜誌上。

中國科學院國家天文台研究員苟利軍在接受科技日報記者採訪時説：“在宇宙中，我們此前從沒有發現質量如此小的黑洞。這次發現的小質量黑洞，會豐富我們對恆星生命歷程的瞭解。”

那麼，人們為什麼要尋找小質量的黑洞？距離地球遙遠的黑洞，其質量是怎樣計算出來的？發現“小黑洞”對我們來説意味着什麼？

“雙星系統”中看不見的那一位

此次發現的最小黑洞來源於一個雙星系統。雙星系統，指的是兩顆天體的引力提供向心力，使兩者一起圍繞同一點旋轉的天體組合。在雙星系統中，一個恆星依然可以受黑洞的引力吸引，繼續圍繞其旋轉。但是，由於黑洞的巨大引力，光子速度不足以擺脱黑洞引力，永遠無法逃逸出去，因此用光學觀測手段無法看見黑洞，只能看到其“同伴”。反過來，只要找到一顆看不見伴星且符合雙星系統運動規律的恆星，就可以判斷其“伴星”是一個黑洞。根據牛頓運動定律，通過對伴星軌道的觀測和計算，研究人員還可以確定這個黑洞的質量。此次研究中，研究人員正是利用上述方法找到了這個最小黑洞。

研究人員利用的樣本數據是來自於阿帕奇波因特天文台的光譜數據。由於發光天體在遠離地球時，從地球上觀測其光波頻率會下降，反之就會上升，因此研究人員只需根據光波頻率增減情況，就可以計算出恆星的運行軌跡，判斷一顆恆星是否在圍繞一個“同伴”運行。

由此，研究人員從尋找雙星系統的角度出發，在10萬個恆星樣本中篩選出了200個值得關注的樣本。

在其中一個樣本里，一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個“看不見的”恆星轉動。研究人員確定這是一個黑洞，並且注意到其質量似乎遠小於已知黑洞，而又大於已知最大的中子星。隨後研究人員根據阿帕奇波因特天文台星系演化實驗室（APOGEE）、蓋亞衞星等觀測平台傳來的補充數據進一步計算發現，這個黑洞的質量大約為3.3倍太陽質量。

質量大小至關重要

“上世紀三十年代，奧本海默等提出了‘奧本海默極限’，認為中子星的質量存在上限。”苟利軍説，“理論上，質量大於‘奧本海默極限’的中子星將會坍縮。”

黑洞的演化理論認為，中子星是恆星演化最後階段的形態之一，而質量過大的中子星並不穩定，將會坍縮形成黑洞。然而，此前確認的黑洞質量至少達5倍太陽質量，中子星質量則一般不超過2.1倍太陽質量。人們對質量位於中子星與黑洞之間——被稱為“質量間隙”的天體尚無確切瞭解。

2017年，激光干涉引力波天文台（LIGO）觀察到兩個質量分別為31倍太陽質量和25倍太陽質量的黑洞併合。LIGO發現比以往更大質量的黑洞合併事件，讓人不禁猜測，或許也有更小質量黑洞未被發現。

苟利軍説：“一般發現的黑洞質量多集中在7到8倍太陽質量左右。通常宇宙中的小質量恆星更多，但卻沒觀察到質量非常小的黑洞。”

本次研究論文第一作者、美國俄亥俄州立大學天文學教授託德·湯普森從這一猜測出發，投入到新型小質量黑洞的搜尋中。本次發現的小黑洞，恰恰填補了這一觀測空白區域。

理論上，宇宙中大量存在的小質量恆星爆炸，這會導致小質量黑洞佔多數。然而與理論預期相反，在湯普森教授的研究發表之前，還沒有人發現位於“質量間隙”的任何黑洞。

由於沒有對應的觀測結果，天文學家不能確切説明質量在“質量間隙”的天體究竟是中子星還是黑洞，也不能證實推測的結果正確與否。苟利軍認為，這次發現小質量黑洞後，人們將可能對黑洞的形成與恆星的生命歷程有更深刻的認識。

湯普森説道：“我們可能確定了一個新型小質量黑洞。天體的質量非常重要，它告訴我們，天體本質是怎樣的，形成和演化的過程又是怎樣的。”