中國科學家發現的巨型黑洞的藝術想像圖。中心黑色的點表示黑洞, 周圍紅色的圓盤代表截斷的吸積盤, 藍色圓表示伴星B型星。作者：喻京川
撰文 | 馬 超
責編 | 夏志堅
浩瀚無垠的深空，蘊藏著無數神秘壯觀的天體，令人驚嘆神往。其中的黑洞，可以說是宇宙中最神秘、最令人著迷的天體之一了。
1915年，愛因斯坦發表廣義相對論，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，從理論上預示了黑洞的存在。黑洞的引力場異常強大，以至於在距離黑洞特定範圍內，連宇宙中傳播速度最快的光線都無法逃脫被吸食的命運，因此我們無法直接觀測到黑洞。
絕大多數小質量黑洞是恆星死亡後的產物。當大質量恆星（如20-30倍太陽質量）演化到最後的垂死階段時，它的外層將不斷膨脹，演化為紅超巨星，半徑可達之前的數百倍；與此同時，內層的中心物質卻會發生強烈坍縮，密度越來越高，由此產生的引力場也越來越強。最後，整個星體將發生毀滅性的爆炸，即超新星爆發現象, 這是宇宙中最狂暴、最高能的現象之一，瞬間釋放的強大能量將恆星自身的絕大部分物質猛烈地拋向宇宙空間，那璀璨的光芒甚至能超過它所屬的星系。天文學家將此比喻為「宇宙中最美麗的煙花」。
超新星爆炸藝術想像圖，圖源NASA
爆炸過後，中心殘留的緻密核將在自身的引力作用下坍縮成黑洞（質量更小的恆星死亡將形成中子星或者白矮星）。黑洞形成後會不斷吸積宇宙空間中的物質，保持生長。科學家把這類黑洞稱為「 恆星級黑洞」，它們廣泛存在於星系之中。
電影《星際穿越》中的恆星級黑洞。圖源：INTERSTELLAR/ R. HURT / CALTECH
另一種被廣泛研究的黑洞稱為 「超大質量黑洞」（Supermassive black hole），其規模與前面的恆星級黑洞完全不在一個層次上：它們的質量大得驚人，通常能達到太陽的數百萬到數十億倍，並且僅存在於星系中心。
例如，存在於我們銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*，其質量約為太陽的400多萬倍。它們是星系中真正的王者，深刻影響著整個星系的演化，猶如一台星系級發動機。觀測證據表明，幾乎所有的大型星系中心都蘊藏著這麼一個龐然大物。它們可以說是宇宙中最強大的吞噬巨獸，依靠其強大的引力，不停地吸積周圍環境中的物質——儘管它們已經足夠大，但仍在不斷的生長中。
存在於星系中心的超大質量黑洞。藝術想像圖。圖源：NASA
巨型黑洞現身
作為最神秘詭異的天體，黑洞仍然隱藏著太多的未解之謎，涉及多方面的物理學前沿問題。作為宇宙中理想的極端物理實驗室，21世紀探索黑洞註定將是最具挑戰性、最讓人激動的科學任務之一。在科學家們的不懈努力下，新的觀測成果正不斷湧現。
近日，由中國科學院國家天文台研究員劉繼峰、張昊彤領導的科研團隊，利用包括郭守敬望遠鏡（全稱為「大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡」，英文縮寫為 LAMOST）在內的一系列觀測設備的光譜數據，發現我們銀河系中的雙星系統LB-1中存在一個巨大的黑洞，質量約為太陽的70倍，這是人類首次在雙星系統中發現如此巨大的恆星級黑洞，這一發現極大挑戰了現有的恆星演化理論。該工作於2019年11月28日發表於《自然》雜誌。
迄今為止，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射線而被發現的。但LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統，也就是說這個黑洞沒有在吸積伴星物質，或者吸積很微弱，而且黑洞本身不發光，那要如何確認這顆黑洞的存在呢？
雙星中的黑洞正在吸食伴星的物質, 同時從垂直方向噴出一部分物質，形成噴流。圖片來源：Wikimedia Commons
研究人員利用了一種不同的觀測技術來尋找這種類型的黑洞。如果一顆恆星繞著一個看不見的天體轉動，而這個天體的質量大於3倍太陽質量，那麼黑洞就潛伏在那裡。這項技術最早是由英國學者約翰·米歇爾在1783年提出，但只有在最近隨著望遠鏡和探測器新技術的發展才變得可行。
研究人員通過分析LAMOST的觀測數據發現，有一顆B型星存在周期性的徑向速度變化，光譜中還顯示一條近乎靜止且與B型星反向運行的Hα發射線，後者很可能來自一顆隱藏的黑洞！同時，研究人員估計這顆B型星的質量約為太陽的8倍，年齡約為3500萬年，遠遠小於太陽的50億年。它與我們太陽系都位於銀盤中，距離地球約14000光年（反銀心方向）。
基於長達兩年的光譜觀測數據，研究人員通過擬合徑向速度曲線，得到了B型星軌道周期約為79天，估計了B型星和Hα發射線的速度曲線振幅之比（約為8），最終推算出它身邊那個看不見的天體的質量約為太陽的70倍，這說明那個隱藏天體只能是黑洞。這是首次在銀河系內發現質量如此大的恆星級黑洞。
挑戰當前恆星演化模型
自2015年起，LIGO/Virgo 引力波探測裝置已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，但它們都距離銀河系十分遙遠。劉繼峰團隊的這一發現證實了銀河系內也可以存在這類黑洞。同時也刷新了人們對於恆星級黑洞質量範圍的認知。
同時這一結果對當前的恆星演化模型提出了挑戰。
根據理論預言，在太陽金屬丰度下，恆星所形成的黑洞質量最高不會超過25倍太陽質量。金屬丰度在天文學中指星體中那些比氫、氦元素更重的元素所占比例。普遍認為更大質量的黑洞主要形成於低金屬丰度的環境中（通常要小於0.2倍太陽金屬丰度）。然而該研究卻發現雙星系統LB-1發光伴星的金屬丰度比太陽還要高（是太陽的1.2倍），對於這樣的環境，理論上無法形成質量達太陽70倍的黑洞。這可能意味著最新的恆星演化理論需要修改，或者某些形成機制被我們忽視。
「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-Virgo探測到的雙黑洞併合事件一起推動我們對黑洞天體物理研究的復興。」 LIGO天文台台長 David Reitze 評論說。
相互繞轉的雙黑洞？
另外，LB-1系統中的兩個天體圍繞彼此共同的中心運行，周期為79天。長周期也意味著兩天體之間的距離會很大，測量結果表明，LB-1是銀河系內目前已知間距最大的黑洞-恆星組合。
這使得作者猜測這個黑洞可能不是來源於單個恆星的內核坍縮，而是LB-1最初可能是一個三星系統，那個可觀測的B型伴星處於最外層軌道且質量最小，兩顆質量更大的恆星在靠近系統中心處形成緊密環繞的雙星（這是保證三星系統穩定存活的必要條件）。由於大質量恆星壽命更短，雙星系統很快壽終正寢，演化為相互繞轉的雙黑洞，最終併合。
兩顆黑洞即將併合，藝術想像圖。圖源：Wikipedia
作者甚至猜測那對黑洞可能還沒有併合，現在推算出的單一大質量黑洞實際上很可能是緊密相互繞轉的雙黑洞。在這種情況下，該系統將是黑洞併合事件的絕佳候選體，也將成為研究三體系統中雙黑洞形成與演化的理想觀測目標。
研究還發現LB-1的雙星軌道近乎呈圓形，這為我們理解該系統的形成提供了重要啟發。圓形軌道表明LB-1屬於共同演化雙星，B型伴星並不是後期被黑洞引力俘獲所得。因為被俘獲的恆星通常呈現為很扁的橢圓軌道，雖然來自黑洞的潮汐扭矩可以將軌道逐漸圓化，但這是一個極度漫長的過程，所需要的時間遠遠超過該系統的年齡。
中國天文神器LAMOST
文章的通訊作者之一、中國科學院國家天文台LAMOST運行和發展中心研究員張昊彤強調，LB-1大質量恆星級黑洞的發現證實了LAMOST強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000根光纖，每次能觀測近4000個天體，是目前世界上光譜獲取率最高的天文望遠鏡。巡天觀測七年來，獲取了 1125萬條光譜，為天文學家搜尋特殊天體、探索銀河系形成與演化等提供了最有力的數據支持。
LAMOST望遠鏡。圖源：http://lssf.cas.cn
「LAMOST是我國天文界第一個大科學裝置，經過數年努力，已經成為科學發現和研究工作的助推器，目前以此為基礎，已經發表文章500餘篇，引用5000餘次，還包括數篇 Nature子刊和這篇 Nature 文章。簡言之，LAMOST已經得到大家認可，也使大家意識到，大的科學就需要LAMOST這種大科學裝置。」劉繼峰在接受《知識分子》採訪時說。
劉繼峰同時表示，以更高精度和新的方法研究黑洞質量，將是其團隊接下來的重點研究方向。「我們正在利用HARPS-N和CARMENES兩個用來探測系外行星的高精度光譜儀對LB-1進行後續觀測研究，描繪黑洞吸積盤並以更高精度測量黑洞質量。同時, 結合視向速度觀測和蓋亞衛星天體測量數據，使用另一個獨立方法來測量黑洞質量。」
「此外，我們由八個跨院校團隊組成的黑洞小分隊在全力推進黑洞獵手計劃，準備五年內發現並測量近百個黑洞，五倍於現有恆星級黑洞，構建大樣本黑洞質量分布，以高顯著度看到黑洞樣本全貌，解答黑洞研究的諸多問題。」 劉繼峰補充說。
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