(maamx.com报道)最近,天文界发生了一件大事。我国天文学家发现了一颗迄今最大质量的恒星级黑洞。11月28日,国际顶尖科学期刊《自然》发布了这项重大发现,中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队,利用我国自主研制的国之重器郭守敬望远镜(LAMOST),发现了这颗生活在银河系里的恒星系黑洞,其质量约为70倍太阳质量,远超理论预言的质量上限,颠覆了人类的认知。刘继峰说:这颗领跑恒星黑洞界的“小霸王”闯进入了天文学规律的“禁区”,它的出现将推动恒星演化理论的革新。那么问题来了,70倍太阳质量的黑洞就能称“王”了?它是如何被发现的?天文学家用“听,看,找伙伴”来寻找黑洞黑洞,本身不发光,看不见摸不着,具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离,堪称宇宙的真空吸光器。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。天文学家按照质量将黑洞分为三类,如下图:

天文学家发现最大质量的恒星级黑洞,其质量约为70倍太阳质量-MAAMX

图为:黑洞分类图 (奇真绘)天文学家发现的这颗70倍太阳质量的黑洞就属于恒星级黑洞。理论预言银河系中应该有上亿颗这种恒星级黑洞。但是过去几十年,人们只发现了大概20个,质量均在3-20倍太阳质量之间。因此这颗70倍太阳质量的黑洞名副其实成为了恒星黑洞家族的小霸王。

天文学家发现最大质量的恒星级黑洞,其质量约为70倍太阳质量-MAAMX

那其余上亿颗恒星级黑洞哪去了,为何这么难找?天文学家都用什么办法寻找黑洞?目前天文学家想到的方法汇成一句话:要么听,要么看,要么找伙伴。听:通过引力波实验聆听时空震颤的涟漪追寻双黑洞并合事件,只适用于稀少的双黑洞。看:如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统,黑洞以强大的“胃口”直接把恒星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。通过“看”X射线光就可以追寻到黑洞了。

天文学家发现最大质量的恒星级黑洞,其质量约为70倍太阳质量-MAAMX

图为:黑洞吸积盘喷射出X射线的艺术想象图(来自网络)找伙伴:当黑洞和它的伴星相距较远,“大胃王”也会表现出平静温和的一面,不易发现。这时候只能通过伴星小伙伴的运动来寻找黑洞,但这种方法前提是有大望远镜助阵高效地找到伴星。目前银河系中已发现的恒星级黑洞都是通过”看”的方法找到的,然而黑洞双星系统中,能发出X射线的只占一小部分。天文学家试图打破传统方法局限,利用“找伙伴”的方法发现沉默的大多数恒星黑洞。这颗70倍质量的黑洞的发现证实了新方法的可行。它的出现意味着有关恒星演化形成黑洞的理论被改写2016年初,研究人员利用LAMOST观测双星,开展双星研究计划,对一个天区中的3000多颗星进行了为期两年的观测。这其中有一颗“走路拉风”的很亮的蓝色恒星引起了研究人员的关注,似乎在围绕着一个看不见的天体做周期性运动。它到底在绕着看不见的“谁”运动?莫非真的是黑洞!每一个专业天文学家都是一个厉害的福尔摩斯。通过研究LAMOST眼中这颗蓝色恒星的光谱特征,他们找到了黑洞的线索。光谱就像识别星星身份的“基因”,包含丰富的信息。蓝色恒星的光谱中包含了黑洞的“基因”。

天文学家发现最大质量的恒星级黑洞,其质量约为70倍太阳质量-MAAMX

图为:这颗新发现黑洞的艺术想象图(喻京川绘)为了进一步验证,研究人员利用西班牙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行高分辨率观测,进一步确认了这个双星系统的性质。最终,研究人员估算出这颗看不见天体的质量约为70倍太阳质量,这么大的质量,它只能是黑洞,而且是迄今最大质量的恒星级黑洞。

天文学家发现最大质量的恒星级黑洞,其质量约为70倍太阳质量-MAAMX

图为:已发现的黑洞的质量分布,橙色圆代表这次新发现的黑洞到底身怀什么绝技,单枪匹马的一颗黑洞可以推动天文学基本规律的革新?目前的恒星演化理论预言,在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞,显然,这颗黑洞已经突破了现有理论的限制,极大地挑战了天文学的规律。因此,它的出现意味着有关恒星演化形成黑洞的理论被改写,或者某种黑洞形成机制被忽视。预计五年内发现并测量更多黑洞这颗黑洞就在银河系中,离我们并不太远,为何之前从未被观测到呢?因为这颗黑洞所在的双星系统X射线微弱,“看”的方法是找不到它的。天文学家通过观测伴星的运动轨迹发现了它,这种方法的前提是——每颗恒星你要长时间观测成百上千次,才能确定运动轨迹的规律,而天上星星如此多,这个工作量堪比“大海捞针”。LAMOST恰好可以解决这个问题,LAMOST是目前全世界光谱获取率最高的望远镜,也是全球首个光谱获取数突破千万的光谱巡天项目。4米口径,4000颗眼睛(光纤),一眼可以观测到4000个星星。因此“大海捞针”的任务非它莫属,如果同等口径的望远镜执行这次黑洞搜寻任务,则需要40年之久。这颗黑洞小霸王的出现,标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。值得期待的是,国家天文台研究团队将利用LAMOST开展一个黑洞猎手计划,预计五年内发现并测量更多黑洞,描绘出一幅黑洞的群像,从而开创批量发现黑洞的新纪元。撰文| 李双 中科院国家天文台工程师 LAMOST运行和发展中心宣传主管审稿| 王松 中国科学院国家天文台助理研究员,主要从事为黑洞双星及恒星活动性研究文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国

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