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        覲見“黑洞之王”

        2019-12-20 08:46:53丁佳
        科學(xué)導(dǎo)報 2019年73期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        丁佳

        黑洞對人類的吸引力,幾乎和它本身的引力一樣強大。

        LB-1的藝術(shù)想象圖? 資料圖

        2019年可以說是“黑洞之年”。上半年,天文學(xué)家歷時10年,捕獲了首張黑洞“芳容”,一度成為全球矚目的焦點;半年后,中國科學(xué)家主導(dǎo)的一項研究,發(fā)現(xiàn)了銀河系中的“恒星級黑洞之王”,將人類探索黑洞的歷史再次向前推進。

        北京時間11月28日凌晨,《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發(fā)現(xiàn)。研究團隊依托我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠鏡(LAMOST),發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞。

        這顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞遠超理論預(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,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

        ? ? 1 沉默的大多數(shù)

        黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體,它的密度非常大,具有超強的吸引力,任何物質(zhì),包括光也無法從它身邊逃離,是宇宙中名副其實的“吸光器”。

        根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同,天文學(xué)家將黑洞大致分為100倍太陽質(zhì)量以下的恒星級黑洞、100~10萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞和10萬倍太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞。

        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,銀河系中應(yīng)該有上億顆這種恒星級的黑洞?!闭撐牡谝蛔髡?、中科院國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰說,“但過去幾十年,人們只發(fā)現(xiàn)了大概20個?!?/p>

        剩下的上億個黑洞到底去哪了?劉繼峰認(rèn)為,這可能與觀測方法有關(guān)。

        黑洞雖然不發(fā)光,但當(dāng)它與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統(tǒng)時,就會露出“猙獰”的面目,以強大的“胃口”把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過來,形成吸積盤,發(fā)出明亮的X射線,這些X射線就如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”。

        此前,科學(xué)家就是通過這些X射線來識別黑洞的,50年來,人們用這種方法發(fā)現(xiàn)了約20個黑洞,它們的質(zhì)量均在3~20倍太陽質(zhì)量之間。

        可是,當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠時,“大胃王”也會表現(xiàn)出平靜溫和的一面,黑洞雙星系統(tǒng)中,能夠發(fā)出X射線輻射的其實只占一小部分。對于這些“沉默的大多數(shù)“,又該如何去搜尋呢?

        ? ? 2 “走路拉風(fēng)”的B型星

        2016年初,中科院國家天文臺研究員、LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤和中科院院士韓占文利用LAMOST觀測雙星光譜,開展雙星系統(tǒng)的研究計劃,并選擇銀河系一個天區(qū)中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監(jiān)測。

        其中,一顆“走路拉風(fēng)”的B型星引起了科研人員的注意。在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)中,這顆8倍太陽質(zhì)量的藍色恒星,似乎在圍繞一個看不見的天體做著周期性運動。

        “我們懷疑,這顆星星的背后一定有故事。它到底在繞著誰運動?”論文作者之一、國家天文臺研究生鄭傳杰說。

        不同尋常的光譜特征表明,那個“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。研究人員隨即進行了確認(rèn),他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡,進一步確認(rèn)了這個雙星系統(tǒng)的光譜性質(zhì),并計算出這個“看不見的天體”質(zhì)量大約是太陽的70倍。

        這么大的質(zhì)量,它只能是黑洞!

        目前的恒星演化理論預(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。但顯然,這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞已經(jīng)突破了現(xiàn)有的理論限制。

        “當(dāng)初得到這個結(jié)果,我們也感到很意外,不敢相信?!蹲匀弧冯s志的審稿人也非常謹(jǐn)慎,提出了很多問題。但我們反復(fù)計算,事實就是如此?!眲⒗^峰告訴筆者,這一發(fā)現(xiàn)可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者還有某種黑洞形成機制被人們忽視了。

        ? ? 3 “黑洞獵手”

        對這一發(fā)現(xiàn),美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)臺長大衛(wèi)·雷茨評論稱:“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4年里L(fēng)IGO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,推動黑洞天體物理研究的復(fù)興?!?/p>

        其實從2015年起,LIGO和Virgo的引力波觀測實驗已發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞,但它們都位于遙遠的地方,也就是在宇宙較早期形成的。而此次發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽質(zhì)量的“黑洞之王”,不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級黑洞,同時刷新了人類對恒星級黑洞質(zhì)量上限的認(rèn)知。

        值得一提的是,在兩年之久的監(jiān)測時間里,LAMOST共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。據(jù)估算,如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,在同樣的幾率下,則需要40年時間。

        LAMOST超高的觀測效率也給了劉繼峰等人更充足的信心。他透露,科研團隊將開展一個“黑洞獵手”計劃,預(yù)計在5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量近百個黑洞,并最終描畫出一幅黑洞群像。

        到那時,是否還會有新的“黑洞之王”出現(xiàn)呢?我們不妨拭目以待。

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