LB-1的藝術(shù)想象圖 (喻京川繪)中科院國家天文臺/供圖

北京時(shí)間2019年11月28日凌晨，國際科學(xué)期刊《自然》發(fā)布了中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。依托我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞，并提供了一種利用LAMOST巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認(rèn)知，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。

黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體。任何物質(zhì)，包括光也無法從它身邊逃離。根據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。這其中，恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。理論預(yù)言銀河系中有上億顆恒星級黑洞，但迄今為止，天文學(xué)家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識別的、質(zhì)量均小于20倍太陽質(zhì)量的黑洞。

找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

LB-1和引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布 。中科院國家天文臺/供圖

2016年秋季開始，國家天文臺領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時(shí)兩年監(jiān)測了一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)(LB-1)中，一顆8倍太陽質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個(gè)“看不見的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)。不同尋常的光譜特征表明，那個(gè)“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步確認(rèn)了LB-1的光譜性質(zhì)，計(jì)算出該黑洞的質(zhì)量大約是太陽的70倍。值得一提的是，在兩年之久的監(jiān)測時(shí)間里，LAMOST共為這項(xiàng)研究做了26次觀測，累積曝光時(shí)間約40個(gè)小時(shí)。劉繼峰表示，如果利用一架普通四米口徑望遠(yuǎn)鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間——這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。

目前恒星演化理論預(yù)言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞。這顆新發(fā)現(xiàn)黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)從2015年起，通過探測引力波的方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)十倍太陽質(zhì)量的黑洞;2017年，雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。LIGO臺長大衛(wèi)·雷茨評論，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學(xué)家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)及歐洲室女座引力波天文臺(Virgo)探測到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興”。接下來，利用LAMOST極高的觀測效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞，開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。

這項(xiàng)工作是基于LAMOST(中國興隆)、加納利大望遠(yuǎn)鏡(西班牙加納利群島)、凱克望遠(yuǎn)鏡(美國夏威夷)和錢德拉X射線天文臺(美國)的觀測數(shù)據(jù)完成的。本研究共包括55位作者，來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、意大利、波蘭和荷蘭7個(gè)國家28家單位。(完)