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            顛覆人們對恒星級黑洞形成的傳統認知——揭開“黑洞之王”的美羊羊圖片神秘面紗

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              原標題:顛覆人們對恒星級黑洞形成的傳統認知——揭開“黑洞之王”的神秘面紗

              圖①存在於星系中心的超大質量黑洞 。 (來源:NASA)

              圖②巨型黑洞藝術想象圖  。喻京川繪

              圖③我國自主研制的郭守敬望遠鏡LAMOST  。 (資料圖片)

              追逐茫茫宇宙中那個遙遠神秘天體 ,數百年來無數科學傢前赴後繼 。11月28日凌晨 ,我國科學傢宣佈:依托我國自主研制的郭守敬望遠鏡猿輔導LAMOST  ,成功“活捉”一“黑洞之王”  。這顛覆瞭人們對恒星級黑洞形成的認知  ,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新——宇宙神秘面紗正一點點向世人揭開 。

              “事實有時候比小說更奇妙 ,黑洞最能真實地體現這一點  ,它比科幻作傢想象的任何東西都更奇妙  。”霍金在其最後的著作《十問》中這樣寫道  。

              經過科學傢們的不懈努力  ,11月28日凌晨  ,我國科學傢宣佈:依托我國自主研制的郭守敬望遠鏡LAMOST ,成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系內發現的恒星級黑洞  ,大小為太陽質量的70倍 ,距離我們約1.5萬光年 。

              恒星級黑洞中的這顆“小霸王”黑洞  ,其質量超乎科學傢們的想象  。“這是一個非凡的發現  ,它將迫使天文學傢改寫恒星級黑洞的形成模型  。”專傢們表示  。

              宇宙吸光器

              1915年愛因斯坦提出廣義相對論 ,德國物理學傢卡爾·史瓦西推導出瞭愛因斯坦場方程式的一個精確解  ,預言瞭黑洞的存在  。自此  ,人類就沒有停止過對這種神秘天體的想象和探索  。2015年 ,首次探測到的引力波為黑洞的存在提供瞭更為具體的證據  。今年  ,天文學傢歷時10年利用四大洲8個觀測點捕獲瞭黑洞的視覺證據——首張黑洞“芳容”  ,讓這個曾經“看不見摸不著”的詭異天體有瞭一絲親和力  。

              黑洞到底是什麼  ,為何一代代天文學傢為之如此著迷  ?本身不發光 ,具有超強吸引力 ,任何從其身邊經過的物質  ,就連速度最快的光也無法逃離——黑洞  ,是個名副其實的宇宙真空“吸光器”  。不僅如此  ,它的密度出奇地大 。有多大  ?把10倍於太陽質量的恒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  。

              根據黑洞質量的不同  ,天文學傢將黑洞大致分為恒星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100倍至10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上) 。恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的 ,是宇宙中廣泛存在的“居民”  。

              按照科學傢們的認知  ,一顆恒星演化到最後如果剩下的質量太多  ,即大於3倍太陽質量  ,則既不能形成白矮星  ,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恒星在終極引力的作用下持續塌縮  ,最終形成致密的黑洞  。

              “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  。”國傢天文臺研究員劉繼峰說  。

              “捕捉”黑洞

              神秘又有趣  ,若龍潛深淵隱藏爪牙 ,潛行於宇宙星海中  。可黑洞本身不發光 ,天文學傢如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢 ?

              答案是間接觀測  。劉繼峰介紹  ,觀測驗證黑洞通常有兩種方法  ,一種是通過引力波實驗聆聽時空的漣漪 ,進而推知黑洞並合事件 ,但這僅適用於稀少的雙黑洞  ,即兩個星系碰撞合並後產生的兩個相互繞轉的黑洞  。還有一種方法是通過監測明亮伴星的運動推知黑洞存在  ,並測量黑洞質量 。過去50年裡 ,人們用該種方法發現瞭約20顆黑洞  ,質量均在3倍到20倍太陽質量之間  。

              原來  ,黑洞雖然不發光  ,不過它們身邊的小夥伴們實在是太高調 ,周邊的吸積盤或者伴星都表現出異樣的“氣場”:如果黑洞與一顆正常恒星組成一個距離較近的雙星系統 ,黑洞就會露出猙獰的爪牙  ,以強大的“胃口”直接把這顆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 。這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的“回光返照” ,而就是這一“照”  ,成為天文學傢這些年追尋黑洞蹤跡的強有力線索 。迄今為止 ,銀河系中幾乎所有的恒星級黑洞均通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的  。

              按照理論預測  ,銀河系中應該有上億顆恒星級黑洞 ,不過在黑洞雙星系統中  ,能夠發出X射線輻射的僅占一小部分  。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 。

              既然如此 ,對於這些平靜態 ,即不吸積伴星氣體的黑洞  ,該如何搜尋呢 ?天文學傢在發現這顆最大恒星級黑洞的過程中給出瞭全新答案  。

              LAM總裁肉肉小說OST再立功

              這顆距離地球1.5萬光年之外的恒星級“黑洞之王” ,其發現與一個默默奉獻的“大功臣”——LAMOST  ,密不可分 。“如果利用一架普通4米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞  ,相同幾率下  ,則需要40年時間  ,這充分體現出LAMOST超高的觀測效率 。”劉繼峰表示  。

              他說  ,早在上世紀六七十年代  ,人類就已經調動瞭大量觀測資源來發現黑洞 ,但由於設備靈敏度以及海量數據處理的難題 ,最終收效甚微  。迫於現實  ,科學傢們想到瞭利用X射線來識別黑洞的方法  ,但也困難重重 。

              怎麼辦 ?找到新的方法 ,發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞  ,成瞭天文學界近年來研究的熱點和難點  。關鍵時刻 ,我國自主研制的國傢重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡LAMOST派上用場 。

              我們知道  ,黑洞是由大質量的恒星死亡後發生引力塌縮形成的  。“研究天體 ,科學傢們常常有3個觀測維度:明暗、顏色、位置 。”中國科學院國傢天文臺高級工程師白仲瑞介紹 ,這其中 ,顏色是科學傢們常常使用的觀測依據 ,而顏色又會在光譜特征上有所表現  。“換句話說 ,光譜就像天體的‘條形碼’  。”白仲瑞解釋  。

              而收集這些巨量“條形碼”恰恰是“光譜之王”——LAMOST所擅長的  。白仲瑞說  ,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公開發佈瞭1125萬條光譜  ,被天文學傢譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王英國女王電視講話” 。

              “工欲善其聊齋艷譚國語事必先利其器”  。正是LAMOST這臺“天文利器” ,助力天文學傢發現瞭今天的主角“黑洞之王”  。

              2016年初 ,LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文臺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 ,並選擇瞭開普勒一個天區中的3000多顆恒星開展瞭為期兩年的光譜監測  。結果發現  ,在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(LB-1)中 ,一顆8倍太陽質量的藍色恒星 ,圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動  ,這個“看不見的天體”還表現不同尋常的光譜特征  。

              這顆B型星背後一定有故事  ,它到底在繞著看不見的“誰”在運動 ?莫非真的是黑洞  !天文學傢在追逐宇宙真相的道路上從來不會輕易放過任何一種可能  。短暫的激動興奮過後  ,研究人員隨即申請瞭西班牙10.4米加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡協助觀測  ,進一步確認瞭B型星的光譜性質  。

              根據光譜信息  ,研究人員計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度  ,質量約為8倍太陽質量  ,年齡約為35百萬年 ,距離我們1.4萬光會說話的湯姆貓..年 。“再輔以其他證據  ,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  ,它隻能是黑洞  。”劉繼峰稱 。

              顛覆傳統認知

              故事至此還沒有結束  。

              根據目前的恒星演化模型 ,隻允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞  ,因此  ,夫人你馬甲又掉瞭LB-1中黑洞的質量已經進入瞭現有恒星演化理論的“禁區”  。換句話說  ,銀河系中單個恒星黑洞的質量不應該超過太陽的20倍  。而LAMOST的發現 ,可能意味著有關恒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 。

              事實究竟是怎樣的 ?答案是:繼續觀測並驗證  。“在接下來的長達兩年之久的監測時間裡 ,LAMOST共為這項研究做瞭26次觀測  ,累積曝光時間約40個小時  。”劉繼峰說 。

              時光不負情深  。最終的結果成就瞭L今日新鮮事AMOST的這段佳話  。為瞭紀念LAMOST在發現這顆巨大恒星級黑洞上作出的貢獻  ,天文學傢給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1  。與其他已知的恒星級黑洞不同 ,LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到  ,這顆黑洞與它的伴星相距較遠  ,有1.5倍日地距離 。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺對該源進行觀測 ,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”的恒星級黑洞“冠軍”  。

              這一發現有何意義 ?美國激光幹涉引力波天文臺LIGO從2015年起  ,通過探測引力波的方法發現瞭數十倍太陽質量的黑洞;2017年  ,雷納·韋斯、基普·索恩和巴裡·巴裡什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎  。

              劉繼峰說 ,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高清電影網  。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瞭這一點 。利用LAMOST大規模巡天優勢和速度監測方法 ,相信天文學傢將會發現一批深藏不露的平靜態黑洞  ,從而逐步揭開這個黑暗“傢族”的內幕  ,為研究黑洞成員的形成演化以及質量分佈邁出標志性的一步  。

              “接下來  ,利用LAMOST極高的觀測效率  ,天文學傢有望發現一大批‘深藏不露’的黑洞,開創批量發現黑洞的新紀元  。”劉繼峰表示  。(記者沈 慧)