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为什么说中国发现的最大质量恒星级黑洞是一道“超纲题”?

一旦恒星靠近黑洞,就会逐渐被它撕扯、吸食,围绕黑洞阴影产生一圈被称为“吸积盘”的气体物质,辐射出明亮的X射线。如此,原本不发光的黑洞才能被间接地“看到”。

径向速度法本身并不新,今年获得诺贝尔物理学奖的系外行星研究,就是通过径向速度法发现的。当天体靠近或远离观测方向,它的光谱会发生有规律的蓝移(频率变高)或红移(频率变低),就像救护车加速驶近时鸣笛声调变高,加速远离时声调又变低。

虽然理论预计银河系中有上亿个恒星级黑洞,但已知的不到两打,少得可怜。这与此前的观测手段严重依赖X射线有关。

白矮星有点像“熄灭”了的灰烬,低光度、高密度、高温度,我们的太阳数十亿年后结局大概如此。

中国团队首先发现后,地球上最大的光学望远镜,位于夏威夷的10米凯克望远镜和位于西班牙的10.4米GTC望远镜也跟进确认,证实了黑洞LB-1的存在。

对于宇宙中的“饕餮”来说,这个质量并不算惊人。有一类超大质量黑洞,门槛就是几百万倍太阳质量。

那为什么科学家们现在才发现模型有问题呢?是因为“解题”方法很局限。

静默的大多数

恒星的宿命被改写

毕竟,LIGO第一次探测到引力波事件,就是由两颗恒星级黑洞并合成为一个62倍太阳质量的新黑洞。在2018年,LIGO也曾“听到”两颗黑洞并合成一个80倍太阳质量的更大黑洞。

因此,现有的恒星演化理论认定,大质量的恒星级黑洞只能形成于低金属丰度的环境中。以我们银河系的化学成分来看,不会出现超过30倍的恒星级黑洞。

此前,天文学家们在银河系中找到的恒星级黑洞,确实都在20倍太阳质量之下。

银河系中一颗质量约为太阳68倍的恒星级黑洞,不仅吸引了它视界范围内所有的光线,也在昨天吸引了地球人的注意。

无论是小修还是大改,现有的恒星演化理论肯定有所缺失,需要科学家们重新推敲。

作为一台光学望远镜,LAMOST的4米口径虽不算很大,但它拥有的4000根光纤就像4000只眼睛,一次能观测近4000个天体,尤其适合巡天任务。

在这3000多颗恒星中,他们偶然发现,有一颗光谱为B型的目标很惹眼,它大约8倍太阳质量,有一条近乎静止,且和B型星反相位运行的氢发射线。这暗示着,它应该绕着一个看不见的东西转动,很可能是黑洞。

2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤和云南天文台韩占文院士决定用位于兴隆观测站的郭守敬望远镜(LAMOST)监测开普勒望远镜扫描过的一个天区,追踪其中的双星系统。

只有这样,“学霸们”提出的这道超纲题才有望得到解答:恒星走向黑洞的过程中,还有哪些被我们忽略的因素?

不过,用这种方法找到静默的黑洞,还算首创。

这一类由恒星演化而成的黑洞,我们称为恒星级黑洞,也是天体物理中最小的一类黑洞,质量通常在3倍至几百倍太阳之间。最大的一类则是星系中心的超大质量黑洞。例如,银河系中心就有一个约为430万倍太阳质量的超大质量黑洞人马座a*。介于两者之间的称为中等质量黑洞,目前还缺乏直接的观测证据。

现有的天文学理论告诉我们,一颗恒星逃不出三种宿命:白矮星、中子星和黑洞。

但为什么中国科学院国家天文台研究员刘继峰在最开始发现它时“不敢相信”,觉得这样的黑洞在银河系中“不应该”存在?美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫•雷茨(David Reitze)也给出了很高的评价:“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。”

然而,这次发现的LB-1金属丰度与太阳近似(1.2倍),质量却接近太阳的70倍,显然是大大“超纲”了。

一般而言,恒星中含有的金属元素越多,向外“刮”物质的星风就越强烈,大量质量提前流失。

原来,这颗名为LB-1的黑洞,不仅狠狠“打脸”了现有恒星演化模型,而且还是用一种全新的方法探测到的。它给天体物理学家们出了一道“超纲题”,标志着黑洞研究理论和手段都将全面改写。

回到主题恒星级黑洞上来。恒星究竟可以演化成多大质量的黑洞?这中间涉及到很多因素,主要包括恒星原来的质量和金属丰度,即恒星中除氢和氦以外的元素总量。

就在揭晓“最大质量恒星级黑洞”之后,国家天文台研究团队透露将启动实施“黑洞猎手”计划,通过LAMOST监测其他四个天区,将径向速度监测和天测数据结合,批量发现黑洞并测量黑洞质量,预计5年内发现并测量近百个黑洞,这将5倍于银河系中的已知黑洞数目。

那么,那些没在大快朵颐的黑洞该怎么找呢?银河系中,可能还隐藏着无数静默的时空陷阱。

幸运的B型星离黑洞足有1.5倍地日距离那么远,免于被剧烈吞噬的命运。这也是此前LB-1一直被X射线探测手段错漏的原因。

正如在此次研究中, LAMOST对3000多颗恒星进行了26次观测,历时两年,而一架普通四米望远镜干同样的活需要40年。

现在怎么办?研究人员猜想,或许LB-1并非是由一颗恒星坍缩而来的,而是由两颗星形成的双黑洞并合而来。

国家天文台研究员刘继峰、张昊彤领导的研究团队使用了一种称为“径向速度”的探测法。

但对更高质量的恒星而言,它们在寿命尽头可能会发生超新星爆炸,爆炸后如果还有残骸剩余,要么是极端致密的中子星,要么就是引力大到光线也无法逃逸的黑洞。

 


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