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坍縮，爆炸，當(dāng)那一天來(lái)臨，恒星會(huì)在剎那間開(kāi)放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激蕩的星風(fēng)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(wú)數(shù)噴涌而出的光子，攜帶著它生命的印記，穿越時(shí)空，直達(dá)宇宙的每個(gè)角落。那光芒璀璨無(wú)比，甚至超過(guò)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(zhǎng)，正在廣袤的宇宙中進(jìn)行星際航行。你的目標(biāo)是數(shù)光年外的一顆恒星，而飛船周圍除了黑暗一無(wú)所有。突然間，刺耳的電腦警報(bào)聲響起：航線異變！你的飛船被一股強(qiáng)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(wú)形？正當(dāng)船員們手足無(wú)措的時(shí)候，擁有足夠天體物理知識(shí)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(jì)的歐洲剛剛經(jīng)歷了第一次科學(xué)革命。從哥白尼到牛頓，科學(xué)的概念與方法論得以確立，科學(xué)開(kāi)始廣泛興起與發(fā)展。1783年，英國(guó)學(xué)者約翰·米歇爾提出，一個(gè)密度不小于太陽(yáng)、直徑為太陽(yáng)500倍的天體將是不可見(jiàn)的，因?yàn)楣鉄o(wú)法逃離天體表面。一百多年后的1915年，愛(ài)因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論時(shí)，第一次世界大戰(zhàn)正進(jìn)行得如火如荼。在寒冬已至的俄羅斯前線，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解。這個(gè)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(lái)的史瓦西半徑），任何落入該空間的物質(zhì)，包括光，都無(wú)法從中逃離。這種天體在1968年被美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒命名為“黑洞”。根據(jù)恒星演化理論，恒星級(jí)黑洞是大質(zhì)量恒星（M>20?30倍太陽(yáng)質(zhì)量）演化到生命終點(diǎn)的產(chǎn)物。坍縮，爆炸，當(dāng)那一天來(lái)臨，恒星會(huì)在剎那間開(kāi)放成一朵宇宙中最美麗的煙花。激蕩的星風(fēng)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(wú)數(shù)噴涌而出的光子，攜帶著它生命的印記，穿越時(shí)空，直達(dá)宇宙的每個(gè)角落。那光芒璀璨無(wú)比，甚至超過(guò)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(qiáng)引力，任何從其身邊經(jīng)過(guò)的物質(zhì)，包括速度最快的光也無(wú)法逃離。那么我們?cè)撊绾伟l(fā)現(xiàn)它們呢？這要感謝雙星系統(tǒng)的存在。黑洞通過(guò)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(jí)黑洞都是通過(guò)黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線識(shí)別。在過(guò)去的五十年里，人們用這種方法發(fā)現(xiàn)了約二十個(gè)黑洞，質(zhì)量在3到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。銀河系內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論預(yù)測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億個(gè)恒星級(jí)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(dāng)黑洞不吸積伴星氣體時(shí)，我們?cè)撊绾伟l(fā)現(xiàn)這些潛伏在星際空間中的巨獸呢？光譜監(jiān)測(cè)，黑洞現(xiàn)身 近日，一項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)的研究，就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)X射線輻射寧?kù)o的雙星系統(tǒng)（命名為L(zhǎng)B-1），其中包含一個(gè)巨大的黑洞。該論文通訊作者之一張昊彤研究員介紹說(shuō)，從2016年秋季開(kāi)始，以國(guó)家天文臺(tái)為首的研究團(tuán)隊(duì)利用大口徑多目標(biāo)分光望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱LAMOST）開(kāi)展雙星課題研究，對(duì)一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星進(jìn)行了歷時(shí)兩年之久的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。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(wàn)度至3萬(wàn)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(shuō)明Hα發(fā)射線并非來(lái)自于B型星。隨后，西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡（GTC）和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck）的觀測(cè)證實(shí)了上述發(fā)現(xiàn)。在該源中，光譜觀測(cè)顯示具有明顯周期性運(yùn)動(dòng)的恒星吸收線（來(lái)自于B型星）和具有小振幅反相位運(yùn)動(dòng)的寬Hα發(fā)射線（來(lái)自于某不可見(jiàn)天體）。是誰(shuí)在耳邊，宛如黑夜里的幽靈？ 研究人員進(jìn)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(yáng)豐度（太陽(yáng)豐度為0.017），質(zhì)量約為8倍太陽(yáng)質(zhì)量，年齡為35百萬(wàn)年，距離我們1.4萬(wàn)光年。基于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)中恒星吸收譜線的測(cè)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(jì)算得出該不可見(jiàn)天體的質(zhì)量約為B型星質(zhì)量的8倍，即約70倍太陽(yáng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律和速度曲線 LB-1與其它恒星級(jí)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(cè)中被探測(cè)到。研究人員用Chandra X射線天文臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行了1萬(wàn)秒的觀測(cè)，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(duì)其伴星的吸積非常弱。對(duì)于銀河系中一些低質(zhì)量X射線雙星，在X射線寧?kù)o態(tài)時(shí)也觀測(cè)到了類似的Hα發(fā)射線，其中吸積盤在離黑洞較遠(yuǎn)處截?cái)?，不?huì)延伸到黑洞視界臨近的區(qū)域，從而不會(huì)產(chǎn)生顯著的X射線輻射。
長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)寧?kù)o態(tài)的黑洞雙星，LB-1的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)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(lái)類似的監(jiān)測(cè)將發(fā)現(xiàn)一批與X射線明亮的黑洞不同的寧?kù)o態(tài)黑洞，從而推進(jìn)關(guān)于黑洞形成和質(zhì)量分布的研究，并由此開(kāi)辟出一個(gè)新的研究領(lǐng)域。巨獸之身，何以誕生 從2015年起，美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺(tái)（Virgo）的引力波觀測(cè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了重達(dá)幾十個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系黑洞。本研究發(fā)現(xiàn)的70倍太陽(yáng)質(zhì)量的LB-1證實(shí)了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞（圖2）。這顆黑洞的質(zhì)量遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，勢(shì)必推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。 
圖2. LB-1和通過(guò)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(shuō)，一般模型認(rèn)為大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞主要形成于低金屬豐度（低于1/5太陽(yáng)金屬豐度）環(huán)境中，LB-1卻有一個(gè)與太陽(yáng)金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下形成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)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(jìn)行修改，或者以前某種形成機(jī)制被忽視。LIGO臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論說(shuō)，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學(xué)家改寫恒星級(jí)黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過(guò)去四年里L(fēng)IGO及Virgo探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)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(gè)三體系統(tǒng)，觀測(cè)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(gè)黑洞，它們彼此繞轉(zhuǎn)形成一個(gè)雙星，而觀測(cè)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(dú)一無(wú)二的實(shí)驗(yàn)室。此外，LB-1擁有一個(gè)令人驚訝的圓形軌道，可能對(duì)我們理解該系統(tǒng)的形成過(guò)程有所啟發(fā)。這樣一個(gè)寬距雙星由于潮汐作用導(dǎo)致的軌道圓化至少需要與宇宙年齡一樣長(zhǎng)的時(shí)間，比它自身的年齡要長(zhǎng)得多。這排除了LB-1形成于黑洞通過(guò)動(dòng)力學(xué)過(guò)程捕獲B型星的可能性，因?yàn)檫@樣的捕獲將導(dǎo)致一個(gè)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(shí)由于非球?qū)ΨQ拋射造成的對(duì)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(yù)測(cè)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(cè)可能支持它們的存在，但在最近十年仍然缺乏直接觀測(cè)證據(jù)。LB-1可能提供這個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)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(duì)開(kāi)普勒K2-0天區(qū)中亮于14星等的約3000個(gè)目標(biāo)分別進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)間為42小時(shí)。在這3000個(gè)源中，研究人員發(fā)現(xiàn)了LB-1這個(gè)大質(zhì)量恒星黑洞，即發(fā)現(xiàn)率約1/3000。這說(shuō)明如果利用一架普通四米望遠(yuǎn)鏡專門來(lái)尋找這樣一顆黑洞，每天觀測(cè)8小時(shí)，一年365天進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，同樣的幾率下，則需要40年的時(shí)間！這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率！LAMOST是我國(guó)自主研制、全世界光譜獲取率最高的光譜望遠(yuǎn)鏡（圖3）。它擁有4000顆眼睛（光纖），因此每次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。LAMOST巡天七年，于2019年成為全球首個(gè)獲取光譜數(shù)突破千萬(wàn)的光譜巡天項(xiàng)目，為天文學(xué)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(yuǎn)鏡與星空（國(guó)家天文臺(tái)供圖） LAMOST在這次科學(xué)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(shuō)，本研究提供了一種利用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新方法，接下來(lái)，他們會(huì)繼續(xù)利用LAMOST對(duì)其它數(shù)個(gè)天區(qū)進(jìn)行類似的觀測(cè)。依托LAMOST極高的觀測(cè)效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞，開(kāi)創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。 注1：LB-1的Hα發(fā)射線一定來(lái)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(lái)自前景的M型矮星或周圍的星云，也不可能與背景的活動(dòng)星系核/類星體相關(guān)，因?yàn)椴](méi)有紅移非零的譜線。復(fù)雜的多峰結(jié)構(gòu)表明起源于開(kāi)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?yàn)镠α發(fā)射線沒(méi)有跟隨B型星的運(yùn)動(dòng)。其次，一個(gè)環(huán)雙星吸積盤的內(nèi)半徑將在1.7倍雙星距離處被截?cái)啵湎鄳?yīng)的投影速度約為可見(jiàn)恒星速度的0.75倍，即大約40 km/s。這樣一個(gè)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(guò)300 km/s。這也排除了Hα發(fā)射線來(lái)自于一個(gè)環(huán)雙星盤的可能性。因此，該Hα發(fā)射線只能是來(lái)自于黑洞周圍的吸積盤。 戳此獲取論文鏈接
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