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揭开“黑洞之王”的神秘面纱

来源:经济日报2019-11-29 09:54

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  追逐茫茫宇宙中那个遥远神秘天体,数百年来无数科学家前赴后继。11月28日凌晨,我国科学家宣布:依托我国自主研制的郭守敬望远镜LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”。这颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新——宇宙神秘面纱正一点点向世人揭开。

  “事实有时候比小说更奇妙,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙。”霍金在其最后的著作《十问》中这样写道。

  经过科学家们的不懈努力,11月28日凌晨,我国科学家宣布:依托我国自主研制的郭守敬望远镜LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”——这颗在银河系内发现的恒星级黑洞,大小为太阳质量的70倍,距离我们约1.5万光年。

  恒星级黑洞中的这颗“小霸王”黑洞,其质量超乎科学家们的想象。“这是一个非凡的发现,它将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。”专家们表示。

  宇宙吸光器

  1915年爱因斯坦提出广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解,预言了黑洞的存在。自此,人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。2015年,首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据。今年,天文学家历时10年利用四大洲8个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”,让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。

  黑洞到底是什么,为何一代代天文学家为之如此着迷?本身不发光,具有超强吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离——黑洞,是个名副其实的宇宙真空“吸光器”。不仅如此,它的密度出奇地大。有多大?把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度。

  根据黑洞质量的不同,天文学家将黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍至10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。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”。

  按照科学家们的认知,一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多,即大于3倍太阳质量,则既不能形成白矮星,也不能成为中子星,一旦进入死亡阶段,就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

  “球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞,而在星系的中心存在着超大质量黑洞,比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。”国家天文台研究员刘继峰说。

  “捕捉”黑洞

  神秘又有趣,若龙潜深渊隐藏爪牙,潜行于宇宙星海中。可黑洞本身不发光,天文学家如何在茫茫宇宙中寻找到它们呢?

  答案是间接观测。刘继峰介绍,观测验证黑洞通常有两种方法,一种是通过引力波实验聆听时空的涟漪,进而推知黑洞并合事件,但这仅适用于稀少的双黑洞,即两个星系碰撞合并后产生的两个相互绕转的黑洞。还有一种方法是通过监测明亮伴星的运动推知黑洞存在,并测量黑洞质量。过去50年里,人们用该种方法发现了约20颗黑洞,质量均在3倍到20倍太阳质量之间。

  原来,黑洞虽然不发光,不过它们身边的小伙伴们实在是太高调,周边的吸积盘或者伴星都表现出异样的“气场”:如果黑洞与一颗正常恒星组成一个距离较近的双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,以强大的“胃口”直接把这颗伴星上的气体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线光。这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,而就是这一“照”,成为天文学家这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。迄今为止,银河系中几乎所有的恒星级黑洞均通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。

  按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,不过在黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的仅占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时,我们的“大胃王”也会表现出平静温和的一面。

  既然如此,对于这些平静态,即不吸积伴星气体的黑洞,该如何搜寻呢?天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新答案。

  LAMOST再立功

  这颗距离地球1.5万光年之外的恒星级“黑洞之王”,其发现与一个默默奉献的“大功臣”——LAMOST,密不可分。“如果利用一架普通4米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,相同几率下,则需要40年时间,这充分体现出LAMOST超高的观测效率。”刘继峰表示。

  他说,早在上世纪六七十年代,人类就已经调动了大量观测资源来发现黑洞,但由于设备灵敏度以及海量数据处理的难题,最终收效甚微。迫于现实,科学家们想到了利用X射线来识别黑洞的方法,但也困难重重。

  怎么办?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。关键时刻,我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜LAMOST派上用场。

  我们知道,黑洞是由大质量的恒星死亡后发生引力塌缩形成的。“研究天体,科学家们常常有3个观测维度:明暗、颜色、位置。”中国科学院国家天文台高级工程师白仲瑞介绍,这其中,颜色是科学家们常常使用的观测依据,而颜色又会在光谱特征上有所表现。“换句话说,光谱就像天体的‘条形码’。”白仲瑞解释。

  而收集这些巨量“条形码”恰恰是“光谱之王”——LAMOST所擅长的。白仲瑞说,LAMOST拥有4000颗眼睛(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,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

  “工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST这台“天文利器”,助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”。

  2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择了开普勒一个天区中的3000多颗恒星开展了为期两年的光谱监测。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,这个“看不见的天体”还表现不同寻常的光谱特征。

  这颗B型星背后一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”在运动?莫非真的是黑洞!天文学家在追逐宇宙真相的道路上从来不会轻易放过任何一种可能。短暂的激动兴奋过后,研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜协助观测,进一步确认了B型星的光谱性质。

  根据光谱信息,研究人员计算出B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度,质量约为8倍太阳质量,年龄约为35百万年,距离我们1.4万光年。“再辅以其他证据,研究人员计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体,它只能是黑洞。”刘继峰称。

  颠覆传统认知

  故事至此还没有结束。

  根据目前的恒星演化模型,只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞,因此,LB-1中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。换句话说,银河系中单个恒星黑洞的质量不应该超过太阳的20倍。而LAMOST的发现,可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

  事实究竟是怎样的?答案是:继续观测并验证。“在接下来的长达两年之久的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。”刘继峰说。

  时光不负情深。最终的结果成就了LAMOST的这段佳话。为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上作出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。与其他已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,这颗黑洞与它的伴星相距较远,有1.5倍日地距离。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测,发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积非常微弱,是一个“平静温和”的恒星级黑洞“冠军”。

  这一发现有何意义?美国激光干涉引力波天文台LIGO从2015年起,通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞;2017年,雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。

  刘继峰说,LB-1是一个X射线辐射宁静的双星系统,利用常规X射线方法搜寻这类黑洞是行不通的。长期以来,人们认为径向速度监测可以发现平静态的黑洞双星,这颗迄今最大质量黑洞的发现证实了这一点。利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法,相信天文学家将会发现一批深藏不露的平静态黑洞,从而逐步揭开这个黑暗“家族”的内幕,为研究黑洞成员的形成演化以及质量分布迈出标志性的一步。

  “接下来,利用LAMOST极高的观测效率,天文学家有望发现一大批‘深藏不露’的黑洞,开创批量发现黑洞的新纪元。”刘继峰表示。(记者沈 慧)

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