坍縮，爆炸，當那一天來臨，恆星會在剎那間開放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激盪的星風在星際物質間吹卷肆虐，各種絢麗的色彩彼此碰撞糾纏，無數噴涌而出的光子，攜帶著它生命的印記，穿越時空，直達宇宙的每個角落。那光芒璀璨無比，甚至超過它所在的星系，它宣告恆星的死亡，更昭告黑洞的新生。
LB-1的藝術想像圖（喻京川繪）
想像你是一艘星艦的艦長，正在廣袤的宇宙中進行星際航行。你的目標是數光年外的一顆恆星，而飛船周圍除了黑暗一無所有。突然間，刺耳的電腦警報聲響起：航線異變！你的飛船被一股強大的引力拖離了原有航線！
那裡有什麼東西？引力如此之大而又完全無形？正當船員們手足無措的時候，擁有足夠天體物理知識的你馬上想到：難道我遇上了黑洞？
黑洞之名，前世今生
十八世紀的歐洲剛剛經歷了第一次科學革命。從哥白尼到牛頓，科學的概念與方法論得以確立，科學開始廣泛興起與發展。1783年，英國學者約翰·米歇爾提出，一個密度不小於太陽、直徑為太陽500倍的天體將是不可見的，因為光無法逃離天體表面。
一百多年後的1915年，愛因斯坦發表廣義相對論時，第一次世界大戰正進行得如火如荼。在寒冬已至的俄羅斯前線，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。這個解表明，如果某天體質量被壓縮於很小的空間內（即後來的史瓦西半徑），任何落入該空間的物質，包括光，都無法從中逃離。這種天體在1968年被美國物理學家約翰·惠勒命名為「黑洞」。
根據恆星演化理論，恆星級黑洞是大質量恆星（M>20〜30倍太陽質量）演化到生命終點的產物。坍縮，爆炸，當那一天來臨，恆星會在剎那間開放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激盪的星風在星際物質間吹卷肆虐，各種絢麗的色彩彼此碰撞糾纏，無數噴涌而出的光子，攜帶著它生命的印記，穿越時空，直達宇宙的每個角落。那光芒璀璨無比，甚至超過它所在的星系，它宣告恆星的死亡，更昭告黑洞的新生。
黑洞本身不發光，具有超強引力，任何從其身邊經過的物質，包括速度最快的光也無法逃離。那麼我們該如何發現它們呢？這要感謝雙星系統的存在。黑洞通過掠奪伴星的物質形成吸積盤，像哥斯拉一樣噴出明亮的高能射線，宣告自己的領地及不可侵犯。迄今為止，銀河系中所有恆星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線識別。在過去的五十年里，人們用這種方法發現了約二十個黑洞，質量在3到20倍太陽質量之間。
銀河系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個恆星級黑洞。但在黑洞雙星系統中，能夠發出X射線輻射的只占一小部分。那麼當黑洞不吸積伴星氣體時，我們該如何發現這些潛伏在星際空間中的巨獸呢？
光譜監測，黑洞現身
近日，一項由中國科學院國家天文台主導的研究，就發現了一個X射線輻射寧靜的雙星系統（命名為LB-1），其中包含一個巨大的黑洞。
該論文通訊作者之一張昊彤研究員介紹說，從2016年秋季開始，以國家天文台為首的研究團隊利用大口徑多目標分光望遠鏡（以下簡稱LAMOST）開展雙星課題研究，對一個小天區內3000多顆恆星進行了歷時兩年之久的長期監測。其中，一顆在反銀心方向的B型星（光譜型為B，恆星表面溫度在1萬度至3萬度之間）表現出周期性的徑向速度變化，以及一條近乎靜止的Hα發射線。這說明Hα發射線並非來自於B型星。隨後，西班牙10.4米加納利大望遠鏡（GTC）和美國10米凱克望遠鏡（Keck）的觀測證實了上述發現。
在該源中，光譜觀測顯示具有明顯周期性運動的恆星吸收線（來自於B型星）和具有小振幅反相位運動的寬Hα發射線（來自於某不可見天體）。是誰在耳邊，宛如黑夜裡的幽靈？
研究人員進而利用恆星大氣模型擬合光譜、利用恆星演化模型擬合譜能量分布，發現該B型星的金屬丰度約為1.2倍太陽丰度（太陽丰度為0.017），質量約為8倍太陽質量，年齡為35百萬年，距離我們1.4萬光年。
基於對觀測數據中恆星吸收譜線的測量，研究人員發現LB-1軌道周期為78.9天，並得到了B型星和Hα發射線的速度曲線（圖1）。最終，他們計算得出該不可見天體的質量約為B型星質量的8倍，即約70倍太陽質量——它只能是黑洞！[注1]
圖1. LB-1系統中B型星和黑洞的運動規律和速度曲線
LB-1與其它恆星級黑洞有何不同？除了質量上的巨大差距，LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到。研究人員用Chandra X射線天文台對該源進行了1萬秒的觀測，給出了它的X射線光度上限2×10 31erg/s。這麼低的光度表明黑洞對其伴星的吸積非常弱。對於銀河系中一些低質量X射線雙星，在X射線寧靜態時也觀測到了類似的Hα發射線，其中吸積盤在離黑洞較遠處截斷，不會延伸到黑洞視界臨近的區域，從而不會產生顯著的X射線輻射。
長期以來，人們認為徑向速度監測可以發現寧靜態的黑洞雙星，LB-1的發現提供了一個經典案例，並且它的性質與銀河系的黑洞 X射線雙星顯著不同。這表明未來類似的監測將發現一批與X射線明亮的黑洞不同的寧靜態黑洞，從而推進關於黑洞形成和質量分布的研究，並由此開闢出一個新的研究領域。
巨獸之身，何以誕生
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重達幾十個太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的銀河系黑洞。本研究發現的70倍太陽質量的LB-1證實了銀河系內也存在此類大質量恆星級黑洞（圖2）。這顆黑洞的質量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。
圖2. LB-1和通過引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布
該論文第一作者和通訊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。目前恆星演化模型只允許在太陽金屬丰度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恆星演化理論的「禁區」。這可能意味著有關恆星物理需要進行修改，或者以前某種形成機制被忽視。
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」。
另一種可能性是，LB-1中的黑洞不是由一顆恆星坍縮形成的。比如，LB-1最初是一個三體系統，觀測到的B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的。甚至，LB-1的主星目前可能仍然為兩個黑洞，它們彼此繞轉形成一個雙星，而觀測到的B型星是第三伴星。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的形成提供了獨一無二的實驗室。
此外，LB-1擁有一個令人驚訝的圓形軌道，可能對我們理解該系統的形成過程有所啟發。這樣一個寬距雙星由於潮汐作用導致的軌道圓化至少需要與宇宙年齡一樣長的時間，比它自身的年齡要長得多。這排除了LB-1形成於黑洞通過動力學過程捕獲B型星的可能性，因為這樣的捕獲將導致一個偏心軌道，直到現在該軌道也不可能被圓化。如果是共同演化的雙星，這表明黑洞形成時由於非球對稱拋射造成的對B型星的「踢力」很小，黑洞的質量損失可以忽略，從而有助於形成大質量的黑洞。
恆星演化理論預測了在一定條件下爆發失敗的超新星以及直接形成的黑洞，一些觀測可能支持它們的存在，但在最近十年仍然缺乏直接觀測證據。LB-1可能提供這個過程的動力學證據。
觀天重器，砥礪前行
從2016年11月至2018年3月，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對開普勒K2-0天區中亮於14星等的約3000個目標分別進行了26次觀測，累計曝光時間為42小時。在這3000個源中，研究人員發現了LB-1這個大質量恆星黑洞，即發現率約1/3000。這說明如果利用一架普通四米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞，每天觀測8小時，一年365天進行連續觀測，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！
LAMOST是我國自主研製、全世界光譜獲取率最高的光譜望遠鏡（圖3）。它擁有4000顆眼睛（光纖），因此每次能觀測近4000個天體。LAMOST巡天七年，於2019年成為全球首個獲取光譜數突破千萬的光譜巡天項目，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。
圖3. LAMOST望遠鏡與星空（國家天文台供圖）
LAMOST在這次科學發現中發揮了不可替代的作用。劉繼峰研究員介紹說，本研究提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法，接下來，他們會繼續利用LAMOST對其它數個天區進行類似的觀測。依託LAMOST極高的觀測效率，天文學家有望發現一大批「深藏不露」的黑洞，開創批量發現黑洞的新紀元。
注1：LB-1的Hα發射線一定來自圍繞黑洞的吸積盤麼？
Hα發射線的半高全寬為240 km/s，不可能來自前景的M型矮星或周圍的星雲，也不可能與背景的活動星系核/類星體相關，因為並沒有紅移非零的譜線。複雜的多峰結構表明起源於開普勒氣體盤。該氣體盤可能圍繞著B型星、黑洞或雙星。
首先，氣體盤圍繞B型星這種可能可以被排除，因為Hα發射線沒有跟隨B型星的運動。其次，一個環雙星吸積盤的內半徑將在1.7倍雙星距離處被截斷，其相應的投影速度約為可見恆星速度的0.75倍，即大約40 km/s。這樣一個環雙星盤的發射線將被限制在40 km/s之內，但是LB-1的發射線比40 km/s寬三倍，線翼延伸超過300 km/s。這也排除了Hα發射線來自於一個環雙星盤的可能性。因此，該Hα發射線只能是來自於黑洞周圍的吸積盤。
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來源：賽先生
編輯：Kun
文章來源: https://twgreatdaily.com/zh/ZB-MuG4BMH2_cNUgOjJc.html