发现迄今最大黑洞 引发天文学家巨大的探索兴趣

黑洞是大家耳熟能详的天文学名词，也是天文学研究中的“明星”。作为宇宙中最神秘的天体，这个“明星”虽然没有任何光环(黑洞本身不发光)，却极具吸引力(黑洞拥有极强的引力，连光都无法从它附近逃离)，引发天文学家巨大的探索兴趣，中国天文学家自然也不例外。

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)，中国科学院国家天文台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。这一成果28日在国际权威学术期刊《自然》发表。黑洞是一种本身不发光、密度非常大的神秘天体。它具有超强吸引力，任何物质，包括速度最快的光也无法从它身边逃离。根据质量的不同，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。这其中，恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的“居民”。理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞，但迄今为止，天文学家仅在银河系发现了约20颗恒星级黑洞——而且都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的，质量均小于20个太阳质量的黑洞。找到新的方法，发现数量巨大、没有X射线辐射的黑洞，成了天文学界近年来研究的热点和难点。

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。

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”。美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫·雷茨评论，“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”。

△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

新闻背景：

宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《十问》中写道，“事实有时候比小说更奇妙，黑洞最能真实地体现这一点，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。自此人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。1964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，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据;2019年，天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉证据——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着迷?本身不发光，密度非常大，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，这种神奇的天体就是黑洞。因此可以说，黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

黑洞本身不发光，天文学家又如何在茫茫宇宙中寻找到它们呢?如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统，黑洞就会直接把恒星伴星上的气体物质吸过来，形成吸积盘，发出明亮的X射线光。这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是这一“照”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。

迄今为止，银河系中所有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。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，而在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时，也会表现出平静温和的一面，那对于这些平静态(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?

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利用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中的3000多个天体进行了为期两年之久的光谱监测。在这其中，有一颗B型星表现出规律的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，除了可以获取它的有效温度、表面重力、金属丰度等重要信息外，光谱中一条近乎静止且运行方向和B型星反相位的明线给这颗星增添了足够的神秘感。

为了进一步验证这颗特殊B型星背后的真相，研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜的21次观测和美国10米凯克望远镜的7次高分辨率观测，进一步确认了B型星的性质。根据光谱信息，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，距离我们1.38万光年，并计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体，它只能是黑洞。

为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上作出的贡献，天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。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倍日地距离)。研究人员用钱德拉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非常微弱，是一个“平静温和”的恒星级黑洞界“冠军”。

从2015年起，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)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，同时刷新了人类对于恒星级黑洞质量范围的认知。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，因此，LB-1中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就

这颗 “黑洞之王”的发现充分证实了LAMOST望远镜强大的光谱获取能力。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，被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

从2016年11月开始，为了发现和研究光谱双星，研究人员利用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，累计曝光时间约40小时。如果利用一架普通四米望远镜专门来寻找这样一颗黑洞(一年观测365天，每天观测8小时)，同样的几率下，则需要40年的时间，这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

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，这一成果也为天文学家提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。