中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

本文來自公眾號:我是科學家iScientist(ID:IamaScientist),作者:鞠強,原文標題《中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞!質量相當于70個太陽》,題圖來自:東方IC

黑洞是大家耳熟能詳的天文學名詞,也是天文學研究中的“明星”。作為宇宙中最神秘的天體,這個“明星”雖然沒有任何光環(黑洞本身不發光),卻極具吸引力(黑洞擁有極強的引力,連光都無法從它附近逃離),引發天文學家巨大的探索興趣,中國天文學家自然也不例外。

就在今天,由中國科學院國家天文臺劉繼峰研究員和張昊彤研究員領導的一個國際合作團隊在《自然》(Nature)上發表論文,宣布他們發現了一個質量為70倍太陽質量的黑洞——這是迄今為止天文學家發現的質量最大的恒星級黑洞。它的發現既對現有理論提出了挑戰,又為未來的研究提供了線索[1]

尋找恒星級黑洞

要想理解這個發現的意義,首先要了解恒星級黑洞的概念。在目前的黑洞理論中,黑洞可以根據質量的不同,分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。其中,恒星級黑洞的質量下限為5倍太陽質量左右,上限則為十幾個到幾十個太陽的質量;超大質量黑洞的質量一般在太陽質量的10萬倍以上,最大可以達到太陽質量的100億倍;中等質量黑洞的質量介于二者之間[2]

中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

2019年4月10日由事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)團隊發布的世界上首張黑洞照片,這個黑洞就是一個超大質量黑洞,質量約為太陽質量的65億倍 |?EHT

這種按質量劃分黑洞的方法,其實對應的是不同的黑洞形成機制。一般認為,恒星級黑洞形成于大質量恒星的坍縮,超大質量黑洞起源于星系中心的黑洞對物質的吸積以及黑洞的合并,而中等質量黑洞的起源尚不十分清楚,可能是恒星級黑洞的合并或者是形成于宇宙大爆炸的原初黑洞。

根據形成機制我們可以推斷,由于宇宙中遍布恒星,而其中大質量恒星死亡后可能形成恒星級黑洞,因此恒星級黑洞應該廣泛存在。但事實上,到目前為止,天文學家在距離地球幾千到幾萬光年的范圍內只發現了20個左右的恒星級黑洞,這些黑洞的質量最小在4倍太陽質量左右,最大也不超過20倍太陽質量。而且,它們都位于一個X射線雙星系統中。

黑洞本身不發光,只能通過其他途徑觀測它們。在X射線雙星系統中,黑洞由于巨大的引力會把伴星的氣體吸向自己,這個劇烈的過程會發出X射線。天文學家就可以通過觀測X射線信號來確認恒星級黑洞的存在[3]

中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

圖中所示為2007年發現的恒星級黑洞M33 X-7,它位于雙星系統M33中,其中還有一顆它的伴星。這個恒星級黑洞的質量為15.7倍太陽質量,是那時發現的質量最大的恒星級黑洞 |?參考資料[4]

LAMOST大顯身手

樣本數量的缺乏制約了天文學家對恒星級黑洞性質的了解,也使得他們無法對現有的恒星級黑洞理論進行有效的檢驗,因此,尋找更多的恒星級黑洞就變得非常重要。

從2016年秋天開始,這個研究團隊利用位于河北興隆的郭守敬望遠鏡(LAMOST)開展對雙星系統的研究。郭守敬望遠鏡于2008年建成,口徑為4米,原名為大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope),2010年以我國元朝著名天文學家、數學家郭守敬命名[5]

中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

郭守敬望遠鏡 |?Wikipedia Commons

通過大量的觀測,他們在一個編號為LB-1的雙星系統中,發現一顆質量為太陽質量8倍的恒星繞著一個不可見的天體運動。根據光譜分析的結果,他們認為這個這個不可見天體就是一個黑洞。在LAMOST觀測的基礎上,他們還使用西班牙加納利大望遠鏡和美國凱克望遠鏡的觀測數據進行了確認,并計算出這個黑洞的質量大約是太陽質量的70倍。

中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

LB-1的藝術想象圖,喻京川繪。圖中所示的黑洞的伴星為藍白色,這種顏色的恒星的質量在太陽質量的2.1倍至16倍之間 | 中國科學院國家天文臺

在整個觀測過程中,LAMOST對目標進行了26次觀測,累計曝光時間約40個小時。如果使用的是普通的4米口徑望遠鏡,那么在相同幾率下完成這項工作需要40年的時間。可見運LAMOST的觀測效率非常出色,同時也預示了采用同樣的方法,天文學家有望在未來發現更多黑洞,從而獲得檢驗黑洞理論的足夠樣本。

宇宙的巨大謎團

除了對X射線進行觀測以便搜尋黑洞外,引力波信號也可以給天文學家帶來黑洞的線索。2017年諾貝爾物理學獎授予雷納·韋斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish),以表彰他們領導美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)首次直接探測到引力波。而他們第一次探測到的引力波信號就是來自一個29倍太陽質量的黑洞和一個36倍太陽質量的黑洞合并成一個62倍太陽質量的黑洞的過程[6]

此后,隨著LIGO的升級以及歐洲的室女座引力波天文臺(Virgo)加入到引力波探測合作中,天文學家探測到的黑洞合并事件逐漸增多,這些觀測也不斷向我們提供有關黑洞質量的最新結果。

中國天文學家發現迄今最大恒星級黑洞

從圖中我們可以看到,在數個黑洞合并事件中,合并前后黑洞的質量,同時還能看到通過X射線研究確定的黑洞的質量 | 參考資料[7]

雖然天文學家掌握廣義相對論這樣的理論工具以及不斷更新的觀測設備和技術,但對黑洞的形成和性質等問題還有很多不甚了解的地方。

這次公布的70倍太陽質量的恒星級黑洞,超過了目前理論預測質量的上限,天文學家不得不尋找修正現有恒星演化和黑洞形成理論的路徑。在這個探索宇宙巨大謎團的過程中,天文學家可能會有更多的意外收獲,從而深刻改變我們對宇宙的理解和認識。

一場未來的變革,也許就是從今天的這個發現開始。

參考資料:

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Stellar_black_hole

[4] https://www.newswise.com/articles/heaviest-stellar-black-hole-discovered-in-nearby-galaxy

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/LAMOST

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_wave#LIGO_and_Virgo_observations

[7] https://www.ligo.caltech.edu/image/76

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