研究团队发现迄今为止质量最大的恒星级黑洞

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　　据中国科学院国家天文台：北京时间2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)，研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

       


        　　黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质，包括光也无法从它身边逃离。根据质量的不同，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。这其中，恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的“居民”。理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞，但迄今为止，天文学家仅在银河系发现了约20颗恒星级黑洞——而且都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的、质量均小于20倍太阳质量的黑洞。

        　　找到新的方法，发现数量巨大、没有X射线辐射的黑洞，成了天文学界近年来研究的热点和难点。

        　　2016年秋季开始，国家天文台领导的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究，历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现，在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中，一颗8倍太阳质量的蓝色恒星，围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明，那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。研究人员随即进行了“确认”：他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜，进一步确认了LB-1的光谱性质，计算出该黑洞的质量大约是太阳的70倍。值得一提的是，在两年之久的监测时间里，LAMOST共为这项研究做了26次观测，累积曝光时间约40个小时。刘继峰表示，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，同样的几率下，则需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

        　　目前恒星演化理论预言在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。美国激光干涉引力波天文台(LIGO)从2015年起，通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞;2017年，雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。LIGO台长大卫·雷茨评论，“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞，将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(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”。接下来，利用LAMOST极高的观测效率，天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞,开创批量发现黑洞的新纪元。

        　　这项工作是基于LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉X射线天文台(美国)的观测数据完成的。本研究共包括55位作者，来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家28家单位。

        　　相关报道：国家天文台宣布发现一颗“不可能”的黑洞，为68倍太阳质量

        　　据澎湃新闻：地球1.5万光年外，盘踞着一个理论上“不可能存在”的黑洞。

        　　11月28日，中国科学院国家天文台宣布利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现一颗68倍太阳质量的恒星级黑洞，打破此前的望远镜探测记录。

        　　相关论文发表在最新一期的英国《自然》杂志上。

        　　黑洞是巨大质量集中在一点，形成强大的引力场，连光线也无法逃逸的结果。按照质量大小，天体物理黑洞分为恒星级黑洞(3-100个太阳质量)，星系中心的超大质量黑洞(大于100000个太阳质量)和介于两者之间的中等质量黑洞。

        　　例如，银河系中心的超大质量黑洞人马座a*就大约为430万倍太阳质量。
     
  
        

        　　恒星级黑洞更为普遍，通常认为是一定质量的恒星走向寿命尽头，引力坍缩的结果。不过，依据此前的理论分析，恒星演化很难形成20倍以上太阳质量的黑洞，大部分质量在坍缩过程中就会流失。而这颗“不可能”的黑洞带来了颠覆性的挑战。

        　　这一成果最早国家天文台研究员刘继峰、张昊彤领导的研究团队发现，并提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)巡天优势寻找黑洞的新方法。通常情况下，黑洞在吞噬伴星的过程中会形成耀眼的吸积盘，喷射出X射线，这也是探测黑洞质量的主流方法。但这颗被命名为“LB-1”的黑洞和它8倍太阳质量的伴星距离很远，没有产生X射线，因此，这次科学家们使用了径向速度法，也就是看伴星所产生辐射在靠近或远离观测点过程中的光谱变化。

       


        　　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。

        　　值得一提的是，此前美国激光干涉引力波天文台(LIGO)也曾“听到”遥远的两个恒星级黑洞并合成为一颗接近80倍太阳质量的新黑洞，此次则是科学家们“看到”了如此规模的黑洞就存在于我们的银河系中。

        　　这下，理论物理学家们将不得不对现有的黑洞演化解释做一次革命。

        　　相关报道：中国科学院国家天文台研究员苟利军：黑洞研究的历史

        　　据光明日报：黑洞本身是一个引力非常强的天体，要追溯黑洞的历史，要追溯到人们对万有引力的认识。

        　　万有引力的发现可以追溯到17世纪，牛顿坐在苹果树下面看到苹果掉下来，激发了灵感。他不仅仅意识到这种现象，而且写下了公式，那就是有关于引力的万有引力公式。在此基础之上，牛顿得到了人们所熟知的逃逸速度公式。

        　　在此之后，更多科学家根据牛顿的理论作了进一步的应用和推广。在18世纪的法国，数学家拉普拉斯想象在宇宙当中有可能会存在着一种天体，它非常致密，以至于从它自身发出的光都不能够从它周围逃脱出来。现在看来这天体就是最朴素的对于黑洞的一种想法。

        　　到了19世纪，更多科学家的观测对于牛顿的理论提出了一些挑战。到20世纪初的时候，物理学家爱因斯坦首先提出了狭义相对论，在十年之后又提出了广义相对论，对引力提出了颠覆性的认识，比如认为引力场其实并不是由质量引起的，而是时空被质量、有质量物体弯曲以后的效应。

        　　在爱因斯坦1915年提出广义相对论之后的几个月，德籍物理学家史瓦西得到了精确的爱因斯坦场方程解，这就是“没有转动黑洞的史瓦西解”。在史瓦西1916年得到这个解之后的几十年间，黑洞研究的进展其实非常缓慢。

        　　在20世纪30年代末，美国的原子弹之父奥文海默和他的学生得到了一种学说：恒星在死亡塌缩的时候有可能塌缩成一个致密的奇点，并且推导出了这个质量的下限，3.2个太阳质量左右。

        　　当时间进入20世纪60年代的时候，黑洞的研究迎来了两项突破性进展：1963年新西兰的数学家罗伊·克尔通过数学求解的方式第一次精确得到了爱因斯坦场方程的带有旋转黑洞的精确解。1964年，用观测方法发现了第一颗恒星级的黑洞。正是理论和观测同时的突破，使得黑洞研究领域迎来了它的黄金时代，在接下来的二三十年，一大批天文学家、物理学家投身于这个领域。现在人们所知道的有关于黑洞知识基本上都是在这段时间内得到的。

        　　在这一时期，有一位非常知名的相对论物理大师——普林斯顿大学的教授约翰·惠勒，他不仅学术研究非常出色，而且在科学传播方面也做了非常多的工作。黑洞这个名字经过他的推广，才得以被众人所知。另外，虫洞这个名词也是他提出的。

        　　在惠勒之后，霍金进一步发现了所谓的霍金辐射，改变了之前经典广义相对论对于黑洞的认识。

        　　到目前为止，科学家已经发现了非常多的黑洞，通过质量可以把它们分解为三大类：

        　　一类是恒星量级的黑洞，也就是说它的质量可以从3倍太阳质量到100个太阳质量之间。

        　　第二类称之为超大质量的黑洞，它的质量起点是几十万倍的太阳质量，或者上百万倍的太阳质量，一直到几十亿倍甚至于上百亿倍的太阳质量。介于其中的这一类黑洞，称之为中等质量的黑洞。但是对于中等质量的黑洞，现在观测的直接证据非常少，但是理论研究证明，它们应该是存在的，所以寻找中等质量的黑洞也是目前研究的一个热门课题。

        　　对于黑洞，它可以说是宇宙当中最为神奇，也是最为简单的一类天体。对于黑洞，只需要3个物理量就可以描述它，一个是它的质量，一个是它的转动，另外一个就是它的电荷。

        　　在宇宙当中，气体几乎都是以等离子体状态存在，会存在非常多的自由电荷。如果一个黑洞带电，那很容易吸附周围的带电粒子而达到电力平衡。所以最终只剩下两个物理量，一个质量，一个转动，这个时候，就可以通过所谓的克尔度规来完整描述天体物理学当中的黑洞，科学家主要的任务就是测量黑洞的这两个基本量。

        　　在银河系中，按照理论，还应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。但遗憾的是人类到目前为止仅仅探测到了几十个，而且只有不到20个恒星量级的黑洞有非常精确的质量测量，其他将近上亿个的黑洞，现在并没有探测到。(作者：苟利军，系中国科学院国家天文台研究员)