坍縮，爆炸，當那一天來臨，恒星會在剎那間開放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激蕩的星風在星際物質(zhì)間吹卷肆虐，各種絢麗的色彩彼此碰撞糾纏，無數(shù)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，它宣告恒星的死亡，更昭告黑洞的新生。
想象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(shù)光年外的一顆恒星，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！那里有什么東西？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(jīng)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(fā)展。1783年，英國學者約翰·米歇爾提出，一個密度不小于太陽、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。一百多年后的1915年，愛因斯坦發(fā)表廣義相對論時，第一次世界大戰(zhàn)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(zhì)量被壓縮于很小的空間內(nèi)（即后來的史瓦西半徑），任何落入該空間的物質(zhì)，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(jù)恒星演化理論，恒星級黑洞是大質(zhì)量恒星（M>20?30倍太陽質(zhì)量）演化到生命終點的產(chǎn)物。坍縮，爆炸，當那一天來臨，恒星會在剎那間開放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激蕩的星風在星際物質(zhì)間吹卷肆虐，各種絢麗的色彩彼此碰撞糾纏，無數(shù)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，它宣告恒星的死亡，更昭告黑洞的新生。黑洞本身不發(fā)光，具有超強引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)，包括速度最快的光也無法逃離。那么我們該如何發(fā)現(xiàn)它們呢？這要感謝雙星系統(tǒng)的存在。黑洞通過掠奪伴星的物質(zhì)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(lǐng)地及不可侵犯。迄今為止，銀河系中所有恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線識別。在過去的五十年里，人們用這種方法發(fā)現(xiàn)了約二十個黑洞，質(zhì)量在3到20倍太陽質(zhì)量之間。銀河系內(nèi)有數(shù)以千億計的恒星，按照理論預測，銀河系中應該有上億個恒星級黑洞。但在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的只占一小部分。那么當黑洞不吸積伴星氣體時，我們該如何發(fā)現(xiàn)這些潛伏在星際空間中的巨獸呢？光譜監(jiān)測，黑洞現(xiàn)身
近日，一項由中國科學院國家天文臺主導的研究，就發(fā)現(xiàn)了一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)（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，以國家天文臺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(qū)內(nèi)3000多顆恒星進行了歷時兩年之久的長期監(jiān)測。其中，一顆在反銀心方向的B型星（光譜型為B，恒星表面溫度在1萬度至3萬度之間）表現(xiàn)出周期性的徑向速度變化，以及一條近乎靜止的Hα發(fā)射線。這說明Hα發(fā)射線并非來自于B型星。隨后，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(fā)現(xiàn)。在該源中，光譜觀測顯示具有明顯周期性運動的恒星吸收線（來自于B型星）和具有小振幅反相位運動的寬Hα發(fā)射線（來自于某不可見天體）。是誰在耳邊，宛如黑夜里的幽靈？
研究人員進而利用恒星大氣模型擬合光譜、利用恒星演化模型擬合譜能量分布，發(fā)現(xiàn)該B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度（太陽豐度為0.017），質(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量，年齡為35百萬年，距離我們1.4萬光年。基于對觀測數(shù)據(jù)中恒星吸收譜線的測量，研究人員發(fā)現(xiàn)LB-1軌道周期為78.9天，并得到了B型星和Hα發(fā)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(zhì)量約為B型星質(zhì)量的8倍，即約70倍太陽質(zhì)量——它只能是黑洞！[注1]圖1. LB-1系統(tǒng)中B型星和黑洞的運動規(guī)律和速度曲線
LB-1與其它恒星級黑洞有何不同？除了質(zhì)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射線天文臺對該源進行了1萬秒的觀測，給出了它的X射線光度上限2×1031erg/s。這么低的光度表明黑洞對其伴星的吸積非常弱。對于銀河系中一些低質(zhì)量X射線雙星，在X射線寧靜態(tài)時也觀測到了類似的Hα發(fā)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(qū)域，從而不會產(chǎn)生顯著的X射線輻射。
長期以來，人們認為徑向速度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)寧靜態(tài)的黑洞雙星，LB-1的發(fā)現(xiàn)提供了一個經(jīng)典案例，并且它的性質(zhì)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(jiān)測將發(fā)現(xiàn)一批與X射線明亮的黑洞不同的寧靜態(tài)黑洞，從而推進關(guān)于黑洞形成和質(zhì)量分布的研究，并由此開辟出一個新的研究領(lǐng)域。巨獸之身，何以誕生
從2015年起，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）的引力波觀測實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了重達幾十個太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠高于先前已知的銀河系黑洞。本研究發(fā)現(xiàn)的70倍太陽質(zhì)量的LB-1證實了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級黑洞（圖2）。這顆黑洞的質(zhì)量遠超理論預言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，勢必推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。
圖2. LB-1和通過引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布
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(zhì)量恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度（低于1/5太陽金屬豐度）環(huán)境中，LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。這可能意味著有關(guān)恒星物理需要進行修改，或者以前某種形成機制被忽視。LIGO臺長大衛(wèi)·雷茨評論說，“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LIGO及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興”。另一種可能性是，LB-1中的黑洞不是由一顆恒星坍縮形成的。比如，LB-1最初是一個三體系統(tǒng)，觀測到的B星位于最外軌道，是質(zhì)量最小的組成部分，而現(xiàn)在的黑洞是由最初內(nèi)部的雙星形成的雙黑洞并合而成的。甚至，LB-1的主星目前可能仍然為兩個黑洞，它們彼此繞轉(zhuǎn)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(tǒng)將是黑洞并合事件的絕佳候選體，并為研究三體系統(tǒng)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(tǒng)的形成過程有所啟發(fā)。這樣一個寬距雙星由于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形成于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(xiàn)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于非球?qū)ΨQ拋射造成的對B型星的“踢力”很小，黑洞的質(zhì)量損失可以忽略，從而有助于形成大質(zhì)量的黑洞。恒星演化理論預測了在一定條件下爆發(fā)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(jù)。LB-1可能提供這個過程的動力學證據(jù)。觀天重器，砥礪前行
從2016年11月至2018年3月，為了發(fā)現(xiàn)和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對開普勒K2-0天區(qū)中亮于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(fā)現(xiàn)了LB-1這個大質(zhì)量恒星黑洞，即發(fā)現(xiàn)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(xù)觀測，同樣的幾率下，則需要40年的時間！這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率！LAMOST是我國自主研制、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，于2019年成為全球首個獲取光譜數(shù)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(shù)據(jù)支持。圖3. LAMOST望遠鏡與星空（國家天文臺供圖）
LAMOST在這次科學發(fā)現(xiàn)中發(fā)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(yōu)勢尋找黑洞的新方法，接下來，他們會繼續(xù)利用LAMOST對其它數(shù)個天區(qū)進行類似的觀測。依托LAMOST極高的觀測效率，天文學家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞，開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀元。
注1：LB-1的Hα發(fā)射線一定來自圍繞黑洞的吸積盤么？
Hα發(fā)射線的半高全寬為240 km/s，不可能來自前景的M型矮星或周圍的星云，也不可能與背景的活動星系核/類星體相關(guān)，因為并沒有紅移非零的譜線。復雜的多峰結(jié)構(gòu)表明起源于開普勒氣體盤。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(fā)射線沒有跟隨B型星的運動。其次，一個環(huán)雙星吸積盤的內(nèi)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恒星速度的0.75倍，即大約40 km/s。這樣一個環(huán)雙星盤的發(fā)射線將被限制在40 km/s之內(nèi)，但是LB-1的發(fā)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(fā)射線來自于一個環(huán)雙星盤的可能性。因此，該Hα發(fā)射線只能是來自于黑洞周圍的吸積盤。
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