巡天7年,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(簡稱LAMOST)再立大功。近日,依托這一“千里眼”,中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊突破傳統(tǒng)觀測方法,發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞,這顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞遠(yuǎn)超目前天文學(xué)理論預(yù)言的質(zhì)量上限,被科學(xué)家們稱為銀河系內(nèi)的“黑洞冠軍”。該成果于北京時間11月28日凌晨在國際期刊《自然》上發(fā)表。
一顆新天體:刷新黑洞形成理論
黑洞作為一種本身不發(fā)光的神秘天體,在宇宙中難以被直接“看到”。在分類上,黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。其中,恒星級黑洞是由大質(zhì)量的恒星死亡塌縮形成的。
南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院院長李向東介紹,在恒星轉(zhuǎn)化為黑洞的過程中,恒星中除氫和氦以外的所有元素總數(shù),即金屬豐度是一個重要參數(shù)。一直以來,黑洞形成的理論模型認(rèn)為,大質(zhì)量的恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度(低于1/5太陽金屬豐度)的環(huán)境中,因此,恒星這類天體在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞,然而,劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊本次發(fā)現(xiàn)的黑洞,金屬豐度近似于太陽,但計算結(jié)果顯示,質(zhì)量上大于太陽70倍,顯然已經(jīng)突破了現(xiàn)有恒星演化理論。
“這樣的結(jié)果讓當(dāng)時的我們有點不敢相信。”國家天文臺副臺長、研究員劉繼峰回憶。他認(rèn)為,這個新發(fā)現(xiàn)的黑洞質(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)恒星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者以前某種黑洞形成機制被忽視”。
一種新方法:不依托X射線也能捕捉黑洞
天文學(xué)理論預(yù)言,人類所處的銀河系中就有上億顆恒星級黑洞,但迄今為止,天文學(xué)家僅在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級黑洞。這又是為什么呢?
原來,正因為“看不見”黑洞,科學(xué)家們只能“迂回”地通過其他現(xiàn)象來研究。劉繼峰介紹,物質(zhì)在被黑洞吞噬的過程中,會產(chǎn)生X射線。人類通過光譜儀捕捉這些射線,形成數(shù)據(jù),由此計算出黑洞的位置、規(guī)模和質(zhì)量等特征。然而,并非所有黑洞在吸收物質(zhì)時都有明亮的X射線,因此,找到新的方法,發(fā)現(xiàn)更多沒有X射線輻射的黑洞,成了天文學(xué)界近年來研究的熱點。
記者了解到,從2016年秋季開始,本次研究團(tuán)隊開始利用LAMOST監(jiān)測銀河系內(nèi)一個小天區(qū)的3000多顆恒星,跟蹤它們的光譜變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在一個X射線輻射非常寧靜的雙星系統(tǒng)(簡稱LB-1)中,一顆有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。它光譜中一條近乎靜止且運行方向和恒星本身反相位的Hα發(fā)射線成為科學(xué)家的新線索。
他們推斷,那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。為此,研究團(tuán)隊又先后通過西班牙和美國的光譜望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步確認(rèn)驗證了LB-1的光譜性質(zhì),最終通過觀測到的數(shù)據(jù),計算出這顆恒星年齡約為35百萬年,距離我們1.4萬光年,金屬豐度相當(dāng)于太陽,而這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量竟達(dá)到了太陽的70倍。
劉繼峰說:“這個黑洞從未在任何X射線觀測中被探測到,它的X射線輻射非常寧靜,所以,我們?yōu)樘煳慕缣峁┝艘环N利用LAMOST巡天優(yōu)勢尋找黑洞的新方法。”
一個新證明:LAMOST不愧“光譜之王”
新聞發(fā)布會上,李向東向記者強調(diào):“此次研究成果的獲得,LAMOST功不可沒,這是我們依托我國自主研發(fā)的天文設(shè)備進(jìn)行的開創(chuàng)性研究,證明了它強大的光譜獲取能力。”
國家天文臺高級工程師白仲瑞介紹,LAMOST擁有4000顆“眼睛”即光纖,一次能觀測近4000個天體,可謂“一眼千星”。2019年3月,LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目,被天文學(xué)家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。
在本次研究中,歷時兩年的監(jiān)測里,LAMOST共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示,如果利用一架普通四米口徑望遠(yuǎn)鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的概率下,估計需要40年的時間——這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。
“這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級黑洞,也是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞,它的出現(xiàn)將標(biāo)志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時代的到來,天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)更多‘深藏不露’的平靜態(tài)黑洞。”劉繼峰說。
(本報記者 楊舒)
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