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中国人自己研发的望远镜,找到了最大的恒星级黑洞:黑洞演化理论或就此改写

LB-1的艺术想象图(喻京川绘)


在今天凌晨发表于《自然》的研究中,国家天文台依托位于河北兴隆的郭守敬望远镜(LAMOST),发现了一颗质量为68倍太阳质量的黑洞,这也是迄今为止发现的最大的恒星级黑洞。这项发现提升了人们对恒星级黑洞质量范围的认知,也提出了一个新的未解之谜:这颗黑洞到底是怎么形成的?


撰文 | 张华

编辑 | 吴非



郭守敬望远镜


郭守敬望远镜是在贵州的“大锅”FAST建成之前,中国最具影响力的天文望远镜之一,又名“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope,英文简称LAMOST)。LAMOST位于位于河北兴隆,于2008年建成,口径为4米。


这架望远镜口径虽小,但其主要的特点是用了大约4000根光纤,所以它可以进行并行观测。换句话说,如果将其他天文望远镜比作一台电脑,那LAMOST就是一个网吧。这样的设计,可以极大提高天文观测的效率。


郭守敬望远镜(摄影:罗凯)


2016年,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员与云南天文台的韩占文院士提出了利用LAMOST开展双星观测的计划。


在两年多的时间内,研究团队用LAMOST对一个天区中的3000多个天体进行了观测。在这个过程中,有一颗距离地球1.4万光年的特殊恒星引起了研究人员的关注。在这颗恒星的光谱中,有一条来自氢原子的巴尔末系光谱线非常反常。研究人员认为,这颗恒星正在围绕一个“看不见的天体”做近似圆周运动,而这个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。


为了揭开黑洞背后的神秘面纱,在两年多的监测时间里,LAMOST共对该区域做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。但如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,在同样的发现几率下,则需要40年的时间才能完成。



最大恒星级黑洞


研究人员将这颗恒星与黑洞组成的双星系统命名为LB-1。为了进一步挖掘这个双星系统背后的真相,研究人员申请了西班牙10.4米口径加纳利大型望远镜和美国夏威夷的10米口径凯克望远镜,对这颗恒星进行了多次高分辨的观测。


这些观测结果经过汇总,进一步确认了LB-1恒星的性质:这颗恒星的质量大约是8倍太阳质量,年龄大约是3500万年。


而且,更重要的是,观测明确了恒星绕黑洞运动的信息,这些信息可以让研究团队计算出这颗黑洞的质量。


“我们在2年多的时间内,观测了这颗恒星大约10个周期的运动,得到这些比较精确的数据:其轨道平面与我们从地球上的观测方向的夹角大约是15度;恒星距离黑洞大约1.5倍地日距离;其轨道运动周期是79天,”中国科学院国家天文台副台长、论文共同通讯作者刘继峰研究员向《环球科学》介绍道,“有了这些数据,再加上我们看到的恒星氢光谱线的速度振幅比,我们就可以计算出该双星系统中存在一个质量大约是68倍太阳质量的黑洞。”


至此,双星系统LB-1的基本情况已经被天文学家了解了。相关研究以”A wide star-blackhole binary system from radial-velocity measurements”为题发表于最新的《自然》期刊,中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤为共同通讯作者。



诞生之谜


这项研究的一个意义在于,这个相当于68倍太阳质量的黑洞,是人类迄今为止发现的最大的恒星级黑洞。根据不同的质量,黑洞分为中等质量黑洞、恒星级黑洞和超大质量黑洞。其中,恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的。根据理论,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞存在,但目前天文学家已经找到的只有约20颗,而且这些黑洞的质量都小于20倍太阳质量。


从LAMOST等天文望远镜对该双星系统的观测来看,该双星是一颗恒星与一个黑洞组成的。其中,这颗恒星的金属丰度与太阳接近,大约是1.2倍太阳金属丰度。


那么,这个黑洞到底是怎么形成的?


一般情况下,这样的双星系统起源于同一个星云。那么,黑洞“前身”恒星的金属丰度也是1.2倍太阳金属丰度。根据目前的恒星演化理论预言,在近似太阳金属丰度时形成的黑洞,最大也不会超过25倍太阳质量。显然,理论与这里的天文观测结果——68倍太阳质量——出现了分歧。


这样的结果说明了什么?一种可能是,现有的理论需要进行修正。正如LIGO台长戴维·雷茨评论道:“在银河系内发现68倍太阳质量的黑洞,可能迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。”


而另一种可能是,理论仍然是成立的,那么这个黑洞的前身恒星,金属丰度就不再与太阳的接近。换句话说,这颗黑洞的前身星应该是一颗低于1/5太阳金属丰度的大型恒星。所以,在这种情况下,这个黑洞与其伴星(也就是围绕其运行的恒星)有着不同的出身:这颗恒星很可能是在路过黑洞时,被黑洞的引力场俘获的。也就是说,它们是一对“半路夫妻”。


因此,这颗黑洞的成因目前仍是未知数。它究竟暗藏着全新的黑洞形成理论,还是代表了黑洞俘获恒星的过程,仍有待未来更深入的观测。而LAMOST也将继续对更多的天区进行观测,试图找到更多隐藏在银河系中的神秘黑洞。


参考文献:

A wide star-blackhole binary system from radial-velocity measurements

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




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