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LAMOST立大功!天文学家发现迄今最大质量恒星级黑洞 或改写恒星演化理论

来源:光明网2019-11-28 09:40

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  光明网讯(记者宋雅娟 肖春芳 蔡琳)11月28日,记者从中科院国家天文台获悉,中国天文学家利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞LB-1,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗近70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远远超过了理论预言的质量上限,或将改写恒星演化和黑洞形成理论。

LAMOST立大功!天文学家发现迄今最大质量恒星级黑洞 或改写恒星演化理论

LB-1的艺术想象图(喻京川绘)

  该成果由中科院国家天文台研究员刘继峰、张昊彤研究团队发现,并于28日凌晨在国际顶尖科学期刊《自然》在线发表。

  “黑洞之王”或挑战恒星演化理论

  黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质,包括光也无法从它身边逃离。天文学家根据黑洞质量的不同,将黑洞分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100-10倍万太阳质量)和超大质量黑洞(10倍万太阳质量以上)。

  恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多(大于3倍太阳质量),就会在巨大引力作用下持续塌缩,最终形成黑洞。

  中科院国家天文台研究员、论文第一作者刘继峰介绍,根据目前恒星演化模型,在太阳金属丰度下,最大只能形成25倍太阳质量的黑洞。而现在,研究团队却在太阳金属丰度环境下发现了一颗近70倍太阳质量的黑洞。

  “LB-1黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的‘禁区’,这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,或者某种黑洞形成机制此前被忽视。”刘继峰表示。

  LIGO台长大卫·雷茨表示,“这一非凡的成果,将与过去四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

  LAMOST功不可没,为寻找黑洞再添一法

  刘继峰介绍,科学家们通过识别黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来寻找黑洞,在过去的50年里,用这种方法发现了约20颗黑洞,质量在3~20倍太阳质量之间。“按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,但在黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的只占一小部分”。

LAMOST立大功!天文学家发现迄今最大质量恒星级黑洞 或改写恒星演化理论

LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布

  找到新的方法,发现数量巨大、没有X射线辐射的黑洞,成了天文学界近年来研究的热点和难点。

  刘继峰介绍,2016年秋季开始,研究团队利用LAMOST开展双星课题研究,历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现,在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗8倍太阳质量的蓝色恒星,围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。

  研究人员随即进行了“确认”:他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜,进一步确认了LB-1的光谱性质,计算出该黑洞的质量大约是太阳的70倍。

  刘继峰表示,如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。 “LB-1的发现标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来”。

  据了解,LAMOST拥有4000根光纤,一次能观测近4000个天体。2019年3月,LAMOST公开发布了1125万条光谱,成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。在此次黑洞发现过程中,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。

  为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。

  还有另外的可能:三体系统中的双黑洞

  近70倍太阳质量的黑洞大大超出了当前理论模型的演化结果,还有别的可能吗?

  刘继峰表示,另一种可能性,LB-1中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩形成的。他解释,LB-1可能最初是一个三体系统,观测到的B型星位于最外轨道,是质量最小的组成部分,而现在的黑洞是由最初内部的双星形成的双黑洞并合而成。

  按照研究团队的猜想,甚至LB-1的主星目前可能仍然为两个黑洞,它们彼此绕转形成一个双星,而观测到的B型星是第三伴星。“在这种情形下,该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体,并为研究三体系统中双黑洞形成提供了独一无二的实验室。”刘继峰补充说。

  据了解,此次发现是基于LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉X射线天文台(美国)的观测数据完成的。本研究共包括55位作者,来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家28家单位。

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