2019年11月28日凌晨《Nature》發(fā)表了中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊關(guān)于“發(fā)現(xiàn)最大恒星級黑洞，超過70倍太陽質(zhì)量”的科學(xué)研究成果，利用我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），發(fā)現(xiàn)了在現(xiàn)有理論禁區(qū)內(nèi)的黑洞，并且提供了一種新的尋找黑洞的方式！
黑洞是大家最熟悉不過的概念，自1916年大神史瓦西從愛因斯坦的廣義相對論引力場公式中推導(dǎo)出史瓦西度規(guī)，也就是天體坍縮成黑洞的理論基礎(chǔ)，當(dāng)然現(xiàn)實理論這種不自轉(zhuǎn)，不帶電荷的黑洞是不存在的，但這為天文界提供了一種新的天體理論。
天鵝座X-1是一個銀道面上著名的X射線源，它在1964年的一次探空火箭X射線觀測時被發(fā)現(xiàn)，早期天文學(xué)家并不清楚這個位置為什么會發(fā)出強X射線，也不知道這是一個什么樣的天體。但后來發(fā)現(xiàn)X-1是一個雙星系統(tǒng)，一顆編號為HD 226868的藍超巨星與一顆看不見致密天體互相公轉(zhuǎn)。
根據(jù)對HD 226868恒星的光譜觀測發(fā)現(xiàn)（引力紅移），推算出了它的軌道周期與質(zhì)量，繼而測算出這可看不見的致密天體質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的14.8倍，根據(jù)史瓦西度規(guī)，這可看不見的致密天體選項只能是一個黑洞，這是在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞候選天體。
一般認(rèn)為恒星型黑洞是25-30倍太陽質(zhì)量以上的恒星在末期引力坍縮形成的黑洞，尚未經(jīng)歷黑洞合并等過程，僅僅通過吞噬物質(zhì)來獲得質(zhì)量增長的黑洞。
恒星級黑洞：3~100個太陽質(zhì)量之間；
中等質(zhì)量黑洞：100~10萬個太陽質(zhì)量；
超大質(zhì)量黑洞：幾十萬倍太陽質(zhì)量，甚至上百萬倍太陽質(zhì)量
一般在引力坍縮過程中會伴隨著超新星爆發(fā)，因此很多朋友會認(rèn)為黑洞是在超新星爆炸中形成的，但其實這是一個誤解，要糾正這個觀念，我們先來了解下超新星爆發(fā)的簡單過程。
超新星爆發(fā)有很多種，我們只簡單介紹下核坍縮型超新星爆發(fā)，因為在這種條件會形成中子星或者黑洞。大質(zhì)量恒星的生命最后階段，核心已經(jīng)形成鐵元素，無法再提供對抗外殼重壓的輻射壓，此時核心的坍縮即刻將會開始。
核心崩潰是除了Ia型超新星以外所有超新星的爆發(fā)原因，有幾種機理會解釋核心坍縮的過程：
電子捕獲
超越錢德拉塞卡極限
成對不穩(wěn)定
是光致蛻變
當(dāng)恒星內(nèi)核發(fā)展到鐵核，此時外殼將相內(nèi)核坍縮，速度將達到光速的20%，泡利不相容的電子簡并壓無法抵抗已經(jīng)超越錢德拉塞卡極限的核心質(zhì)量，核心將坍縮成中子星或者黑洞(25-30倍太陽質(zhì)量將直接坍縮為黑洞)。
簡并態(tài)的核心坍縮時將會爆發(fā)光致蛻變和電子捕獲的β衰變，這是伴隨超新星爆發(fā)電中微子流的理論基礎(chǔ)，如果內(nèi)核質(zhì)量超過15個太陽以上，那么此次超新星爆發(fā)可能不會發(fā)生，直接坍縮成黑洞！
另外一些超大質(zhì)量的恒星內(nèi)部過程則更復(fù)雜，因為超大質(zhì)量恒星并不一定會演化到鐵核，比如40-60M☉的恒星，會經(jīng)歷核數(shù)次坍縮，而60–130 M☉的恒星則可能在某次坍縮中達到重元素的瞬間聚變和成為一顆超新星，比較有意思的是恒星的質(zhì)量和超新星爆發(fā)的亮度和規(guī)模并沒有直接聯(lián)系，反而在內(nèi)核能形成鎳-56的中等質(zhì)量恒星會導(dǎo)致更明亮和持久的超新星爆發(fā)。
簡單的說恒星型黑洞就是恒星在超新星爆發(fā)過程中或者不經(jīng)歷超新星爆發(fā)形成的恒星，尚未經(jīng)歷黑洞合并等過程，其質(zhì)量增長是通過吞噬雙星中的另一顆恒星物質(zhì)完成。
恒星級黑洞形成時質(zhì)量并不高，根據(jù)以往的理論最多也就數(shù)倍最多二十五倍太陽質(zhì)量以下，這個質(zhì)量級別的黑洞吸積盤形成的X射線輻射非常微弱，如果不是近距離且有伴星讓其肆意吞噬物質(zhì)的話，比如X-1這樣質(zhì)量的黑洞，我們是很難發(fā)現(xiàn)的。
1964年X-1黑洞的發(fā)現(xiàn)給了天文界一個新的黑洞發(fā)現(xiàn)理論，即通過觀測伴星的光譜來發(fā)現(xiàn)黑洞的蛛絲馬跡，這計劃看上去很美，但需要獲取大量恒星的光譜，這對于一次觀測只能獲取數(shù)條光譜的當(dāng)時來說簡直就不可能！
LAMOST是專門為獲取恒星的光譜而生，在LAMOST的焦平面上，密密麻麻的排布了4000條光纖，當(dāng)聚焦完成后，這4000條光纖會通過伺服機構(gòu)對準(zhǔn)每一顆恒星，理論上每次都能獲得4000條光譜，從落成到今天為止，LAMOST已經(jīng)獲取超過千萬級別的恒星光譜。
劉繼峰、張昊彤的團隊從2016年期，在兩年半的時間里對天區(qū)中的3000顆恒星進行了26次觀測，發(fā)現(xiàn)了LB-1這顆B型星的吸收線的異常，可見的伴星運動揭示其可能是黑洞。
通過分析其發(fā)射光譜發(fā)現(xiàn)了黑洞吸積盤運動，根據(jù)恒星的光譜變化推算出兩者的運動方式，繼而計算出這個黑洞的質(zhì)量大約為68+11-13M☉，這個質(zhì)量遠(yuǎn)超早先發(fā)現(xiàn)的恒星型黑洞質(zhì)量上限。
這是一個非常有意思的發(fā)現(xiàn)，這讓天文學(xué)家頗為驚喜，喜的是又有了新的大發(fā)現(xiàn)，驚的是又要改寫模型了，這將牽涉到一大批恒星和黑洞演化理論需要修改。不過可以確信LB-1并不是誕生就那么大，這也是研究雙星演化的意義，因為黑洞的誕生以及雙星中另一顆恒星演化到巨星時代的質(zhì)量被大量吞噬，都是LB-1質(zhì)量增長的重要原因！
也許劉繼峰、張昊彤的團隊未來的黑洞獵手計劃會有進一步的偉大發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，我們希望挑戰(zhàn)極限這樣的發(fā)現(xiàn)一再發(fā)生，當(dāng)然種花家作為圍觀群眾是不嫌事大的！
