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天文学家发现迄今最大恒星级黑洞,质量相当于70个太阳

第一财经 2019-11-28 13:29:08

作者:童兰    责编:宁佳彦

目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

北京时间2019年11月28日凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的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,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

星星围绕“看不见的天体”运动

2016年秋季开始,以国家天文台为首的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究,历时两年半监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现,在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗质量是太阳八倍的蓝色恒星,围绕“一个看不见”的天体做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。

研究人员随即进行了“确认”:他们通过西班牙10.4米加纳利大望远镜和美国10米凯克望远镜,进一步确认了LB-1的光谱性质,计算出该黑洞的质量是太阳的70倍。值得一提的是,在两年半的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。

中科院天文台副台长、论文的第一作者和通讯作者刘继峰表示:“如果利用一架普通四米望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间,这充分体现出郭守敬望远镜超高的观测效率。”

目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

引力波信号给探索黑洞提供线索

美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫·雷茨评论称:“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黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。接下来利用LAMOST极高的观测效率,天文学家有望再发现一大批深藏不露的“平静态”黑洞,开创黑洞批量发现的新纪元。

这项工作是基于LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉X射线天文台(美国)的观测数据完成的。本研究共包括55位作者,来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家29家单位。

近年来中国在天文观测技术方面也不断有技术突破。中国的天文望远镜郭守敬望远镜(LAMOST)光谱对恒星基本属性的测量结果非常可靠,可以解决开普勒卫星无法直接测量行星轨道的形状的缺陷,解开太阳系外行星轨道偏心率的难题。

据介绍,LAMOST能在大视场中同时观测数千天体的光谱,是目前世界上光谱获取能力最高的望远镜。早在2016年之前,LAMOST已在开普勒卫星观测天区得到数万条光谱。中国科学家也已经利用LAMOST的观测数据,发现了太阳系外行星轨道分布规律。

除了对X射线进行观测以便搜寻黑洞外,引力波信号也可以给天文学家带来黑洞的线索。2017年诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯(Rainer Weiss)、基普·索恩(Kip Thorne)和巴里·巴里什(Barry Barish),以表彰他们领导美国激光干涉引力波天文台(LIGO)首次直接探测到引力波。而他们第一次探测到的引力波信号就是来自一个29倍太阳质量的黑洞和一个36倍太阳质量的黑洞合并成一个62倍太阳质量的黑洞的过程。

此后,随着LIGO的升级以及欧洲的室女座引力波天文台(Virgo)加入到引力波探测合作中,天文学家探测到的黑洞合并事件逐渐增多,这些观测也不断向我们提供有关黑洞质量的最新结果。

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