2019年11月28日，國際頂尖科學期刊《自然》在線發布了我國天文學家主導的一項重大發現。中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究員領導的研究團隊發現了一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，這顆70倍太陽質量的超大恆星級黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，勢必推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。
一、宇宙吸光器
霍金在其最後的著作《十問》中寫道，「事實有時候比小說更奇妙，黑洞最能真實地體現這一點，它比科幻作家想像的任何東西都更奇妙」。 1915年愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精確解，預示了黑洞的存在。自此人類就沒有停止過對這種神秘天體的想像和探索。
1965年，天鵝座X-1因其強X射線輻射成為第一顆被發現的黑洞侯選體；2015年，首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據；2019年，天文學家歷時10年利用四大洲八個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據——首張黑洞「芳容」，讓這個曾經「看不見摸不著」的詭異天體有了一絲親和力。黑洞到底是什麼，為何讓一代代天文學家為之如此著迷？本身不發光，密度非常大（把10倍於太陽質量的恆星壓縮到直徑為北京六環大小的球體中，這樣的密度就相當於黑洞的密度），具有超強的吸引力，任何從其身邊經過的物質，就連速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以說，黑洞是名副其實的宇宙真空「吸光器」。
天文學家根據黑洞質量的不同，將黑洞大致分為恆星級黑洞（100倍太陽質量以下）、中等質量黑洞（100倍-10萬倍太陽質量）和超大質量黑洞（10萬倍太陽質量以上）。恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的 「居民」。一顆恆星演化到最後如果剩下的質量太多（大於3倍太陽質量），多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恆星在終極引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。球狀星團和矮星系中心或許有中等質量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質量黑洞，比如銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。
二、如何觀測恆星級黑洞
黑洞神秘而又有趣，若龍潛深淵，隱藏爪牙，潛行於宇宙星海中。如果黑洞與一顆正常恆星組成一個密近雙星系統，黑洞就會露出猙獰的爪牙，以強大的「胃口」直接把恆星伴星上的氣體物質吸過來，形成吸積盤，發出明亮的X射線光（圖一）。這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的「迴光返照」，就是這一「照」成為天文學家過去這些年追尋黑洞蹤跡的強有力線索。然後，天文學家會通過監測伴星的運動，測量黑洞的質量，這適用於明亮伴星的黑洞系統。另一種方法是對於稀少的雙黑洞，科學家主要通過引力波實驗聆聽時空的漣漪，進而推知黑洞併合事件。
迄今為止，銀河系中幾乎所有的恆星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。過去的五十年里，人們用該種方法發現了約二十顆黑洞，質量均在3到20倍太陽質量之間。
銀河內有數以千億計的恆星，按照理論預測，銀河系中應該有上億顆大質量死亡形成的恆星級黑洞，而在黑洞雙星系統中，能夠發出X射線輻射的只占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時，我們的「大胃王」也會表現出平靜溫和的一面，那對於這些平靜態（不吸積伴星氣體）的黑洞如何來搜尋呢？天文學家在發現這顆最大恆星級黑洞的過程中給出了全新的答案。
圖一 黑洞吸積噴射出X射線的藝術想像圖（來自網絡）
三、捕捉「深藏不露」的黑洞
國家天文台領導的研究團隊在浩瀚星海中發現了一個表現異常的雙星系統，這其中會不會包含一顆深藏不露的黑洞？700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。
2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文台韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統的研究計劃，並選擇了開普勒一個天區（K2-0）中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監測。在這其中有一顆「走路拉風」的B型星引起了研究人員的關注，這顆星表現出規律地周期性運動和不同尋常的光譜特徵。
這條LAMOST「眼中」的B型星光譜攜帶了非常豐富的信息，除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬丰度等重要信息外，光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的明線（Hα發射線）給這顆星增添了足夠的神秘感。研究人員懷疑這顆B型星背後一定有故事，它到底在繞著看不見的「誰」運動？莫非真的是黑洞！天文學家在追逐宇宙真相的道路上從來都不會輕易放過任何一種可能。
為了進一步驗證這顆特殊B型星背後的真相，研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡（GTC）的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡（Keck）的7次高解析度觀測，進一步確認了B型星的性質。
圖二 LB-1系統中B型星和黑洞的運動規律和速度曲線
根據光譜信息，研究人員計算出B型星的金屬丰度約為1.2倍太陽丰度，質量約為8倍太陽質量，年齡約為35百萬年。根據B型星和Hα發射線的速度振幅之比，研究人員計算出該雙星系統中存在一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體，它只能是黑洞。B型星背後的「大BOSS」就這樣被天文學家挖了出來，這樣的結果無疑是讓人們興奮和驚喜的，然而機遇永遠都是留給有準備的人，沒有兩年前茫茫星海的「撒網」，也便沒有今天這個「主角」的出現。
為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恆星級黑洞上做出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1（圖三）。與其他已知的恆星級黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離）。研究人員用美國錢德拉X射線天文台對該源進行觀測，發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個「平靜溫和」的恆星級黑洞 「冠軍」。
圖三 LB-1的藝術想像圖（喻京川繪）
LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統，利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來，人們認為徑向速度監測可以發現平靜態的黑洞雙星，這顆迄今最大質量黑洞的發現證實了這一點。
四、黑洞「冠軍」的前世今生
從2015年起，美國雷射干涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的銀河系裡的恆星級黑洞。
此次研究人員發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞不僅揭示了銀河系內也存在此類大質量恆星級黑洞，同時刷新了人類對於恆星級黑洞質量上限的認知（圖四）。
該論文第一作者劉繼峰研究員介紹說，一般模型認為大質量恆星級黑洞主要形成於低金屬丰度（低於1/5太陽金屬丰度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬丰度相近的B型星。目前恆星演化理論預言在太陽金屬丰度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經突破了現有恆星演化理論的「禁區」。這可能意味著有關恆星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。LIGO台長大衛。雷茨評論說，「在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恆星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里LIGO及Virgo探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興」。
圖四 LB-1和引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布
另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恆星坍縮形成的。研究人員猜想，LB-1最初是一個三體系統，觀測到的B型星位於最外軌道，是質量最小的組成部分，而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞併合而成。在這種情形下，該系統將是黑洞併合事件的絕佳候選體，並為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。
五、 「光譜之王」和「黑洞之王」的彼此成就
這顆 「黑洞之王」的發現充分證實了LAMOST望遠鏡強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的「光譜之王」（圖五）。
先進設備促生新發現，本次研究中，我國自主研製的LAMOST起了不可替代的作用。從2016年11月開始，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對開普勒一個天區的3000多顆恆星曆時兩年進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。如果利用一架普通四米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞（一年觀測365天，每天觀測8小時），同樣的幾率下，則需要40年的時間！這充分體現出LAMOST超高的觀測效率！
圖五 LAMOST望遠鏡與星空（國家天文台供圖）
「工欲善其事必先利其器」，LAMOST這台「天文利器」助力天文學家發現了今天的主角「黑洞之王」，而「黑洞之王」的現身也為「光譜之王」——LAMOST增添了更多精彩。
這顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，也是LAMOST發現的第一顆黑洞，它的出現將標誌著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。相信「光譜之王」和「黑洞之王」的彼此成就將成為天文界津津樂道的一段佳話。
六、黑洞捕手計劃
LAMOST是我國科學家自主創新研製的一架主動反射施密特天文望遠鏡。它應用主動光學技術，實現了在觀測中鏡面曲面連續變化、不同瞬間是不同的施密特光學系統，突破了天文望遠鏡大口徑與大視場難以兼得的瓶頸，是世界上口徑最大的大視場望遠鏡。
2019年3月，郭守敬望遠鏡巡天七年對外發布光譜1125萬條，是世界上其它巡天項目發布光譜數之和的2倍。在銀河系大規模光譜巡天方面，LAMOST首次實現了天區覆蓋、巡天體積、採樣密度及統計完備性等方面的重大突破，填補了中國大型天文基礎數據的空白，為開展銀河系特別是銀盤的系統研究提供了極好的、具有傳承價值的樣本。
接下來，該研究團隊將開展黑洞獵手計劃：藉助LAMOST繼續觀測其他四個天區，利用視向速度監測和天測數據結合的方法，預計五年內批量發現近百個黑洞，並測量出它們的質量，從而逐步揭開這個黑暗「家族」的內幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質量分布邁出標誌性的一步，開創批量發現黑洞的新紀元。
問：LB-1為什麼叫「黑洞之王」？
答：我們這次發現的黑洞有70個太陽質量，已經超過了現有理論所允許的最大質量的上限兩倍有餘。所以我們稱它為「黑洞之王」。
問：它是宇宙中最大的黑洞嗎？
答：黑洞有兩類，一類是星系中心的超大質量黑洞；一類是恆星死亡形成的恆星級黑洞，這個黑洞是恆星級黑洞中最大的。
問：最小的黑洞有多小？
答：在宇宙形成的早期有一些原初的黑洞，這些黑洞可以非常小，小到一個原子大小。不過它們存在的時間也非常短，今天已經看不到了。
問：新發現的「黑洞之王」離我們有多遠？
答：我們新發現的這個黑洞在銀河系反銀心的方向，離我們差不多是有14000光年的地方。
問：天文學家過去如何尋找黑洞？
答：一種是通過引力波探測器來聆聽雙黑洞併合驅動的時空震顫來倒推黑洞。另外一種是通過觀察黑洞伴星的運動來倒推黑洞的存在。
問：LAMOST是怎樣找黑洞的？
答：要想在幾千個明亮的天體裡面找到一個黑洞的話，你需要把這些天體看個遍，那我們LAMOST就有這個特殊的本事，能一次性的看幾千個天體。我們在這些數以千計的天體裡面發現了這個黑洞。
問：黑洞是只進不出嗎？
答：一般我們會認為黑洞是大胃王，主要是是吞噬物質，但實際上，黑洞還有霍金輻射，霍金輻射可以把黑洞裡的物質帶走，造成黑洞物質的損失。
問：黑洞壽命多久，會死亡嗎？
答：黑洞的質量是有損失的。原初的那些小黑洞，到現在已經基本蒸發殆盡了，壽終正寢了。當然，我們今天發現的這個黑洞，還有那些超大質量的黑洞，它們的壽命要比宇宙的壽命長得多。
問：黑洞會把宇宙吞噬掉嗎？
答：我們說黑洞的強引力場，實際上是指只有在它離得近的時候才強，當離的遠的時候，它其實跟一個一般的恆星，並沒有什麼太大區別，所以從這個意義上說，我們不用擔心，黑洞是不會把宇宙吞噬進去的。
問：我們會為「黑洞之王」拍照片嗎？
答：我們這次發現的黑洞是恆星級的黑洞，質量非常小，它的視界也非常小，相比於前一陣做過照片的超大質量、M87黑洞，它的視界要小的多的多，我們目前的技術還沒有辦法給它拍照片。如果非要做一個，跟我們此前看到的黑洞照片相比，連一個點兒都算不上，要小得多的多。（回答者：劉繼峰 中國科學院國家天文台副台長、研究員，中國科學院大學天文與空間科學學院常務副院長）。
原創作者/公號：新浪科技
著作權歸作者所有，本站根據ＣＣ０協議授權轉發
商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處
聯繫：［運營的小事］編輯