黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”

文章作者:管理一号 | 2019-11-28
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      北京时间2019年11月28日消息,今日,国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项严重发现。中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星黑洞,并供给了一种使用我国严重科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)的巡天优势寻觅黑洞的新方法,这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的改造。

  宇宙吸光器

  霍金在其最终的著作《十问》中写道,“事实有时候比小说更奇妙,黑洞最能真实地表现这一点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。 1915年爱因斯坦提出广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解,预示了黑洞的存在。自此人类就没有中止过对这种神秘天体的想象和探究。1965年,天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体;2015年,初次探测到的引力波为黑洞的存在供给了更为具体的依据;2019年,天文学家历时10年使用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉依据——首张黑洞“芳容”,让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。黑洞到底是什么,为何让一代代天文学家为之如此入神?本身不发光,密度非常大(把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环巨细的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度),具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离,这种神奇的天体便是黑洞。因此可以说,黑洞是当之无愧的世界真空“吸光器”。

  天文学家根据黑洞质量的不同,将黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是由大质量恒星逝世构成的,是世界中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后假如剩余的质量太多(大于3倍太阳质量),多到既不能构成白矮星,也不能成为中子星,一旦进入逝世阶段,就没有任何力量能够阻挠这颗恒星在终极引力的效果下继续塌缩,终究构成细密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞,而在星系的中心存在着超大质量黑洞,比方银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

  黑洞神秘而又有趣,若龙潜深渊,隐藏喽啰,潜行于世界星海中。黑洞自身不发光,天文学家又如何在苍茫世界中寻找到它们呢?奈何它们身边的小伙伴们实在是太高调,周边吸积盘或者伴星都表现出异常的“气场”。假如黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统,黑洞就会显露狰狞的喽啰,以强大的“食欲”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来,构成吸积盘,宣布亮堂的X射线光(图一)。这些X射线光好像这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,便是这一“照”成为天文学家过去这些年寻找黑洞踪影的强有力头绪。

图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图(来自网络)图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图(来自网络)

  迄今为止,银河系中简直一切的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。过去的五十年里,人们用该种方法发现了约二十颗黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。银河内有数以千亿计的恒星,按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,而在黑洞双星体系中,能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星间隔较远时,我们的“大胃王”也会表现出安静温和的一面,那对于这些安静态(不吸积伴星气体)的黑洞如何来搜寻呢?天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。

  星星在绕“谁”运动?

  国家天文台刘继峰研讨员和张昊彤研讨员领导的研讨团队在众多星海中发现了一个表现反常的双星系统,这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞呢?700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

  2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出使用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择了开普勒一个天区(K2-0)中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其中有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注,这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。这条LAMOST“眼中”的B型星光谱携带了非常丰富的信息,除了能够获取它的有效温度、外表重力、金属丰度等重要信息外,光谱中一条近乎停止且运行方向和B型星反相位的明线(Hα发射线)给这颗星增添了满足的神秘感。研究人员置疑这颗B型星背后一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”运动?莫非真的是黑洞!!!天文学家在追逐宇宙真相的道路上从来都不会容易放过任何一种或许。

  为了进一步验证这颗特别B型星背面的真相,研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜(GTC)的21次观测和美国10米凯克望远镜(Keck)的7次高分辨率观测,进一步确认了B型星的性质。

图二 LB-1系统中B型星和黑洞的运动规律和速度曲线图二 LB-1系统中B型星和黑洞的运动规律和速度曲线

  依据光谱信息,研究人员计算出B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度,质量约为8倍太阳质量,年龄约为35百万年,间隔我们1.4万光年。依据B型星和Hα发射线的速度振幅之比,研究人员计算出该双星体系中存在一个质量约为70倍太阳质量的不行见天体,它只能是黑洞。B型星背后的“大BOSS”就这样被天文学家挖了出来,这样的成果无疑是让人们振奋和惊喜的,然而机遇永远都是留给有预备的人,没有两年前茫茫星海的“撒网”,也便没有今日这个“主角”的呈现。

  为了留念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的奉献,天文学家给这个包括黑洞的双星体系命名为LB-1(图三)。与其他已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,这颗黑洞和它的伴星相距较远(1.5倍日地间隔)。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测,发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积十分微弱,是一个“平静温和”的恒星级黑洞 “冠军”。

图三 LB-1的艺术想象图(喻京川绘)图三 LB-1的艺术想象图(喻京川绘)

  黑洞“冠军”的前世今生

  从2015年起,美国激光干与引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞,质量远高于先前已知的银河系里的恒星级黑洞。而研究人员发现的这颗70倍太阳质量的超级黑洞不仅揭示了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞,同时改写了人类关于恒星级黑洞质量上限的认知(图四)。

  该论文第一作者刘继峰研究员介绍说,一般模型以为大质量恒星级黑洞主要构成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度附近的B型星。目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下构成最大为25倍太阳质量的黑洞,因而,LB-1中黑洞的质量现已进入了现有恒星演化理论的“禁区”。这可能意味着有关恒星演化构成黑洞的理论将被迫改写,或者以前某种黑洞构成机制被忽视。LIGO台长大卫。雷茨评论说,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级质量黑洞的构成模型。这一特殊的效果,将与曩昔四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事情一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

图四 LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布图四 LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布

  另一种可能性,LB-1中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩构成的。研讨人员猜测,LB-1开始是一个三体体系,观测到的B型星位于最外轨迹,是质量最小的组成部分,而现在的黑洞是由开始内部的双星构成的双黑洞并合而成。在这种景象下,该体系将是黑洞并合事情的绝佳候选体,并为研讨三体体系中双黑洞构成供给了独一无二的实验室。

  “光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就

  这颗 “黑洞之王”的发现充沛证实了LAMOST望远镜强壮的光谱获取才能。LAMOST拥有4000颗眼睛(4000根光纤),一次能观测近4000个天体。2019年3月,LAMOST公开发布了1125万条光谱,成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,被天文学家称为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”(图五)。从2016年11月开始,为了发现和研讨光谱双星,研讨人员使用LAMOST对开普勒一个天区的3000多颗恒星历时两年进行了26次观测,累计曝光时刻约40小时。假如使用一架普通四米望远镜专门来寻觅这样一颗黑洞(一年观测365天,每天观测8小时),同样的几率下,则需求40年的时刻!这充沛体现出LAMOST超高的观测效率!

  “工欲善其事必先利其器”,LAMOST这台“地理利器”助力地理学家发现了今日的主角“黑洞之王”,而“黑洞之王”的现身也为“光谱之王”——LAMOST增添了更多精彩。这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,也是LAMOST发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。信任“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成果将成为地理界津津乐道的一段佳话。

图五 LAMOST望远镜与星空(国家天文台供图)图五 LAMOST望远镜与星空(国家天文台供图)

  LB-1是一个X射线辐射安静的双星体系,使用常规X射线办法搜索这类黑洞是行不通的。长期以来,人们认为径向速度监测可以发现平静态的黑洞双星,这颗迄今最大质量黑洞的发现证明了这一点。使用LAMOST大规模巡天优势和速度监测办法,信任天文学家将会发现一批深藏不露的平静态黑洞, 从而逐步揭开这个黑暗“宗族”的内情,为研究黑洞成员的构成演化以及质量分布迈出标志性的一步。

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