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新突破：中国天文学家首次发现双星系统中的巨型黑洞

2019/11/28

导读

作为最神秘诡异的天体，黑洞仍然隐藏着太多的未解之谜

中国科学家发现的巨型黑洞lb-1的艺术想象图。中心黑色的点表示黑洞, 周围红色的圆盘代表截断的吸积盘, 蓝色圆表示伴星b型星。作者：喻京川

撰文 | 马超

责编 | 夏志坚

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浩瀚无垠的深空，蕴藏着无数神秘壮观的天体，令人惊叹神往。其中的黑洞，可以说是宇宙中最神秘、最令人着迷的天体之一了。

1915年，爱因斯坦发表广义相对论，从理论上最早预言了黑洞的存在。黑洞的引力场异常强大，以至于在距离黑洞特定范围内，连宇宙中传播速度最快的光线都无法逃脱被吸食的命运，因此我们无法直接观测到黑洞。

绝大多数小质量黑洞是恒星死亡后的产物。当大质量恒星（如20-30倍太阳质量）演化到最后的垂死阶段时，它的外层将不断膨胀，演化为红超巨星，半径可达之前的数百倍；与此同时，内层的中心物质却会发生强烈塌缩，密度越来越高，由此产生的引力场也越来越强。最后，整个星体将发生毁灭性的爆炸，即超新星爆发现象, 这是宇宙中最狂暴、最高能的现象之一，瞬间释放的强大能量将恒星自身的绝大部分物质猛烈地抛向宇宙空间，那璀璨的光芒甚至能超过它所属的星系。天文学家将此比喻为“宇宙中最美丽的烟花”。

超新星爆炸艺术想象图，图源nasa

爆炸过后，中心残留的致密核将在自身的引力作用下塌缩成黑洞（质量更小的恒星死亡将形成中子星或者白矮星）。通过这种方式形成的黑洞，质量通常小于25倍太阳质量，但体积却更小，因此引力场很强。

黑洞形成后会不断吸积宇宙空间中的物质，保持生长。科学家把这类黑洞称为“ 恒星级黑洞”，它们广泛存在于星系之中。

电影《星际穿越》中的恒星级黑洞。图源：interstellar/ r. hurt / caltech

另一种被广泛研究的黑洞称为 “超大质量黑洞”（supermassive black hole），其规模与前面的恒星级黑洞完全不在一个层次上：它们的质量大得惊人，通常能达到太阳的数百万到数十亿倍，并且仅存在于星系中心。

例如，存在于我们银河系中心的超大质量黑洞人马座a*，其质量约为太阳的400多万倍。它们是星系中真正的王者，深刻影响着整个星系的演化，犹如一台星系级发动机。观测证据表明，几乎所有的大型星系中心都蕴藏着这么一个庞然大物。它们可以说是宇宙中最强大的吞噬巨兽，依靠其强大的引力，不停地吸积周围环境中的物质——尽管它们已经足够大，但仍在不断的生长中。

存在于星系中心的超大质量黑洞。艺术想象图。图源：nasa

随着观测设备的不断升级，2019年4月10日我们有幸成为历史上首批目睹超大质量黑洞真容的人类。在这之前，天文学家通过联合运作位于全球各地的八台射电望远镜，组建成了一架史无前例的超级虚拟望远镜，称为 “事件视界望远镜”，其惊人的等效口径相当于地球的直径，并对位于巨椭圆星系m87中心处的超大质量黑洞进行观测。

该黑洞的质量约为太阳的65亿倍，距离我们5500万光年之遥。经过长达两年的数据处理，最终得到了首张超大质量黑洞的照片，可以说开启了黑洞研究的新征程。

首张黑洞照片。图源：wikipedia

巨型黑洞现身

作为最神秘诡异的天体，黑洞仍然隐藏着太多的未解之谜，涉及多方面的物理学前沿问题。作为宇宙中理想的极端物理实验室，21世纪探索黑洞注定将是最具挑战性、最让人激动的科学任务之一。在科学家们的不懈努力下，新的观测成果正不断涌现。

近日，由中国科学院国家天文台研究员刘继峰、张昊彤领导的科研团队，利用包括郭守敬望远镜（全称为“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”，英文缩写为 lamost）在内的一系列观测设备的光谱数据，发现我们银河系中的双星系统lb-1中存在一个巨大的黑洞，质量约为太阳的70倍，这是人类首次在双星系统中发现如此巨大的恒星级黑洞，这一发现极大挑战了现有的恒星演化理论。该工作于2019年11月28日发表于《自然》杂志。

迄今为止，所有的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的x射线而被发现的。但lb-1是一个x射线辐射宁静的双星系统，也就是说这个黑洞没有在吸积伴星物质，而且黑洞本身不发光，那要如何确认这颗黑洞的存在呢？

双星中的黑洞正在吸食伴星的物质, 同时从垂直方向喷出一部分物质，形成喷流。图片来源：wikimedia commons

目前的普遍方式是研究它的发光伴星的运动特征和物理性质，借此推断黑洞自身的性质。

研究人员通过分析lamost的观测数据发现，lb-1系统中的发光伴星是一颗年轻的b型恒星，质量约为太阳的8倍，年龄约为3500万年，远远小于太阳的50亿年。它与我们太阳系都位于银盘中，距离地球约13000光年（反银心方向）。

基于长达两年的光谱观测数据，研究人员发现这颗星存在周期性的径向速度变化，通过拟合径向运动曲线，得到其轨道周期约为79天，并推算出它身边那个看不见的天体的质量约为太阳的70倍，这说明那个隐藏天体只能是黑洞。这是首次在银河系内发现质量如此大的恒星级黑洞。

挑战当前恒星演化模型

自2015年起，ligo/virgo 引力波探测装置已经发现了几十倍太阳质量的黑洞，但它们都距离银河系十分遥远。刘继峰团队的这一发现证实了银河系内也可以存在这类黑洞。同时也刷新了人们对于恒星级黑洞质量范围的认知。

同时这一结果对当前的恒星演化模型提出了挑战。

根据模型计算，在太阳金属丰度下，恒星所形成的黑洞质量最高不会超过25倍太阳质量。金属丰度在天文学中指星体中那些比氢、氦元素更重的元素所占比例。普遍认为更大质量的黑洞主要形成于低金属丰度的环境中（通常要小于0.2倍太阳金属丰度）。然而该研究却发现双星系统lb-1发光伴星的金属丰度比太阳还要高（是太阳的1.2倍），对于这样的环境，理论上无法形成质量达太阳70倍的黑洞。这可能意味着最新的恒星演化理论需要修改，或者某些形成机制被我们忽视。

“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质量黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里ligo-virgo探测到的双黑洞并合事件一起推动我们对黑洞天体物理研究的复兴。” ligo天文台台长 david reitze 评论说。

相互绕转的双黑洞？

另外，lb-1系统中的两个天体围绕彼此共同的中心运行，周期为79天。长周期也意味着两天体之间的距离会很大，测量结果表明，lb-1是银河系内目前已知间距最大的黑洞-恒星组合。

这使得作者猜测这个黑洞可能不是来源于单个恒星的内核塌缩，而是lb-1最初可能是一个三星系统，那个可观测的b型伴星处于最外层轨道且质量最小，两颗质量更大的恒星在靠近系统中心处形成紧密环绕的双星（这是保证三星系统稳定存活的必要条件）。由于大质量恒星寿命更短，双星系统很快寿终正寝，演化为相互绕转的双黑洞，最终并合。这要求单个黑洞质量接近35倍太阳质量，因此并未对黑洞形成理论形成很大挑战。

两颗黑洞即将并合，艺术想象图。图源：wikipedia

作者甚至猜测那对黑洞可能还没有并合，现在推算出的单一大质量黑洞实际上很可能是紧密相互绕转的双黑洞。在这种情况下，该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体，也将成为研究三体系统中双黑洞形成与演化的理想观测目标。

研究还发现lb-1的双星轨道近乎呈圆形，这为我们理解该系统的形成提供了重要启发。圆形轨道表明lb-1属于共同演化双星，b型伴星并不是后期被黑洞引力俘获所得。因为被俘获的恒星通常呈现为很扁的椭圆轨道，虽然来自黑洞的潮汐扭矩可以将轨道逐渐圆化，但这是一个极度漫长的过程，所需要的时间远远超过该系统的年龄。

中国天文神器lamost

文章的通信作者之一、中国科学院国家天文台lamost运行和发展中心研究员张昊彤强调，lb-1大质量恒星级黑洞的发现证实了lamost强大的光谱获取能力。lamost拥有4000根光纤，每次能观测近4000个天体，是目前世界上光谱获取率最高的天文望远镜。巡天观测七年来，获取了 1125万条光谱，为天文学家搜寻特殊天体、探索银河系形成与演化等提供了最有力的数据支持。

lamost望远镜。图源：http://lssf.cas.cn

“lamost是我国天文界第一个大科学装置，经过数年努力，已经成为科学发现和研究工作的助推器，目前以此为基础，已经发表文章500余篇，引用4000余次，还包括数篇 nature 子刊和这篇 nature 文章。简言之，lamost已经得到大家认可，也使大家意识到，大的科学就需要lamost这种大科学装置。”刘继峰在接受《知识分子》采访时说。

刘继峰同时表示，以更高精度和新的方法研究黑洞质量，将是其团队接下来的重点研究方向。“我们正在利用harps-n和carmenes两个用来探测系外行星的高精度光谱仪对lb-1进行后续观测研究，描绘黑洞吸积盘并以更高精度测量黑洞质量。同时, 结合视向速度观测和盖亚卫星天体测量数据，使用另一个独立方法来测量黑洞质量。”

“此外，我们由八个跨院校团队组成的黑洞小分队在全力推进黑洞猎手计划，准备五年内发现并测量近百个黑洞，五倍于现有恒星级黑洞，构建大样本黑洞质量分布，以高显著度看到黑洞样本全貌，解答黑洞研究的诸多问题。” 刘继峰补充说。

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