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揭開“黑洞之王”的神秘面紗

2019-11-29 10:02 來源:經(jīng)濟日報 責(zé)任編輯:付琳
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摘要:而LAMOST的發(fā)現(xiàn),可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被迫改寫,或者以前某種黑洞形成機制被忽視。“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。”

圖① 存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。 (來源:NASA)

圖② 巨型黑洞藝術(shù)想象圖。喻京川繪

圖③ 我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST。 (資料圖片)

追逐茫茫宇宙中那個遙遠(yuǎn)神秘天體,數(shù)百年來無數(shù)科學(xué)家前赴后繼。11月28日凌晨,我國科學(xué)家宣布:依托我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”。這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——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(xiàn)這一點,它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙。”霍金在其最后的著作《十問》中這樣寫道。

經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力,11月28日凌晨,我國科學(xué)家宣布:依托我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的恒星級黑洞,大小為太陽質(zhì)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(zhì)量超乎科學(xué)家們的想象。“這是一個非凡的發(fā)現(xiàn),它將迫使天文學(xué)家改寫恒星級黑洞的形成模型。”專家們表示。

宇宙吸光器

1915年愛因斯坦提出廣義相對論,德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場方程式的一個精確解,預(yù)言了黑洞的存在。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了更為具體的證據(jù)。今年,天文學(xué)家歷時10年利用四大洲8個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據(jù)——首張黑洞“芳容”,讓這個曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。

黑洞到底是什么,為何一代代天文學(xué)家為之如此著迷?本身不發(fā)光,具有超強吸引力,任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì),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倍于太陽質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中,這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度。

根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同,天文學(xué)家將黑洞大致分為恒星級黑洞(100倍太陽質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100倍至10萬倍太陽質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬倍太陽質(zhì)量以上)。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”。

按照科學(xué)家們的認(rèn)知,一顆恒星演化到最后如果剩下的質(zhì)量太多,即大于3倍太陽質(zhì)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(xù)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(zhì)量的黑洞,而在星系的中心存在著超大質(zhì)量黑洞,比如銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。”國家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,潛行于宇宙星海中??珊诙幢旧聿话l(fā)光,天文學(xué)家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,進而推知黑洞并合事件,但這僅適用于稀少的雙黑洞,即兩個星系碰撞合并后產(chǎn)生的兩個相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。還有一種方法是通過監(jiān)測明亮伴星的運動推知黑洞存在,并測量黑洞質(zhì)量。過去50年里,人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞,質(zhì)量均在3倍到20倍太陽質(zhì)量之間。

原來,黑洞雖然不發(fā)光,不過它們身邊的小伙伴們實在是太高調(diào),周邊的吸積盤或者伴星都表現(xiàn)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(tǒng),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(zhì)吸過來,形成吸積盤,發(fā)出明亮的X射線光。這些X射線光如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”,而就是這一“照”,成為天文學(xué)家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(fā)出的X射線來識別的。

按照理論預(yù)測,銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級黑洞,不過在黑洞雙星系統(tǒng)中,能夠發(fā)出X射線輻射的僅占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)時,我們的“大胃王”也會表現(xiàn)出平靜溫和的一面。

既然如此,對于這些平靜態(tài),即不吸積伴星氣體的黑洞,該如何搜尋呢?天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級黑洞的過程中給出了全新答案。

LAMOST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(fā)現(xiàn)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(yuǎn)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(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。”劉繼峰表示。

他說,早在上世紀(jì)六七十年代,人類就已經(jīng)調(diào)動了大量觀測資源來發(fā)現(xiàn)黑洞,但由于設(shè)備靈敏度以及海量數(shù)據(jù)處理的難題,最終收效甚微。迫于現(xiàn)實,科學(xué)家們想到了利用X射線來識別黑洞的方法,但也困難重重。

怎么辦?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和難點。關(guān)鍵時刻,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派上用場。

我們知道,黑洞是由大質(zhì)量的恒星死亡后發(fā)生引力塌縮形成的。“研究天體,科學(xué)家們常常有3個觀測維度:明暗、顏色、位置。”中國科學(xué)院國家天文臺高級工程師白仲瑞介紹,這其中,顏色是科學(xué)家們常常使用的觀測依據(jù),而顏色又會在光譜特征上有所表現(xiàn)。“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(fā)布了1125萬條光譜,被天文學(xué)家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

“工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST這臺“天文利器”,助力天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了今天的主角“黑洞之王”。

2016年初,LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云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(tǒng)的研究計劃,并選擇了開普勒一個天區(qū)中的3000多顆恒星開展了為期兩年的光譜監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在一個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“看不見的天體”做著周期性運動,這個“看不見的天體”還表現(xiàn)不同尋常的光譜特征。

這顆B型星背后一定有故事,它到底在繞著看不見的“誰”在運動?莫非真的是黑洞!天文學(xué)家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。短暫的激動興奮過后,研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡協(xié)助觀測,進一步確認(rèn)了B型星的光譜性質(zhì)。

根據(jù)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(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量,年齡約為35百萬年,距離我們1.4萬光年。“再輔以其他證據(jù),研究人員計算出該雙星系統(tǒng)中存在一個質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體,它只能是黑洞。”劉繼峰稱。

顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

故事至此還沒有結(jié)束。

根據(jù)目前的恒星演化模型,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)”。換句話說,銀河系中單個恒星黑洞的質(zhì)量不應(yīng)該超過太陽的20倍。而LAMOST的發(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(xù)觀測并驗證。“在接下來的長達兩年之久的監(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。”劉繼峰說。

時光不負(fù)情深。最終的結(jié)果成就了LAMOST的這段佳話。為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級黑洞上作出的貢獻,天文學(xué)家給這個包含黑洞的雙星系統(tǒng)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(yuǎn),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(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有何意義?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被授予諾貝爾物理學(xué)獎。

劉繼峰說,LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng),利用常規(guī)X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來,人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星,這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實了這一點。利用LAMOST大規(guī)模巡天優(yōu)勢和速度監(jiān)測方法,相信天文學(xué)家將會發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的平靜態(tài)黑洞,從而逐步揭開這個黑暗“家族”的內(nèi)幕,為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步。

“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。”劉繼峰表示。(記者 沈 慧)

責(zé)任編輯:付琳

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