巡天7年，我國自主研制的國家重大科技基礎設施——郭守敬望遠鏡（簡稱LAMOST）再立大功。近日，依托這一“千里眼”，中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊突破傳統(tǒng)觀測方法，發(fā)現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞，這顆70倍太陽質量的黑洞遠超目前天文學理論預言的質量上限，被科學家們稱為銀河系內的“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、中等質量黑洞和超大質量黑洞。其中，恒星級黑洞是由大質量的恒星死亡塌縮形成的。

南京大學天文與空間科學學院院長李向東介紹，在恒星轉化為黑洞的過程中，恒星中除氫和氦以外的所有元素總數，即金屬豐度是一個重要參數。一直以來，黑洞形成的理論模型認為，大質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倍太陽質量的黑洞，然而，劉繼峰、張昊彤研究團隊本次發(fā)現的黑洞，金屬豐度近似于太陽，但計算結果顯示，質量上大于太陽70倍，顯然已經突破了現有恒星演化理論。

“這樣的結果讓當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。他認為，這個新發(fā)現的黑洞質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區(qū)”，“這可能意味著有關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

天文學理論預言，人類所處的銀河系中就有上億顆恒星級黑洞，但迄今為止，天文學家僅在銀河系內發(fā)現了約20顆恒星級黑洞。這又是為什么呢？

原來，正因為“看不見”黑洞，科學家們只能“迂回”地通過其他現象來研究。劉繼峰介紹，物質在被黑洞吞噬的過程中，會產生X射線。人類通過光譜儀捕捉這些射線，形成數據，由此計算出黑洞的位置、規(guī)模和質量等特征。然而，并非所有黑洞在吸收物質時都有明亮的X射線，因此，找到新的方法，發(fā)現更多沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學界近年來研究的熱點。

記者了解到，從2016年秋季開始，本次研究團隊開始利用LAMOST監(jiān)測銀河系內一個小天區(qū)的3000多顆恒星，跟蹤它們的光譜變化。結果發(fā)現，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倍太陽質量的藍色恒星，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，研究團隊又先后通過西班牙和美國的光譜望遠鏡進一步確認驗證了LB-1的光譜性質，最終通過觀測到的數據，計算出這顆恒星年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年，金屬豐度相當于太陽，而這顆新發(fā)現的黑洞質量竟達到了太陽的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：“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)的天文設備進行的開創(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——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

“這顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，也是LAMOST發(fā)現的第一顆黑洞，它的出現將標志著利用LAMOST巡天優(yōu)勢搜尋黑洞新時代的到來，天文學家有望發(fā)現更多‘深藏不露’的平靜態(tài)黑洞。”劉繼峰說。

   （本報記者 楊舒）