中国科学家发现最大恒星级黑洞遭质疑，《自然》两文展开辩论

北京时间4月30日凌晨，发表在世界*学术期刊《自然》上的两篇文章拉开了对话的序幕。辩论的主题是:中国科学院国家天文台的刘继峰团队去年宣布，最大的恒星级黑洞的质量达到了太阳质量的70倍。结论正确吗？

这两篇文章，一篇来自比利时鲁汶大学物理学和天文学副教授休格斯·萨纳，题目是“LB-1系统中质量为太阳70倍的黑洞的特征”；刘继峰团队的另一篇文章题为“对LB-1系统中太阳质量为70倍的黑洞特性的回答”。

事实上，在此之前，几个国际团队质疑刘继峰团队得出结论所使用的关键前提是错误的。LB-1黑洞的质量远没有那么大，即使它根本不是黑洞，而是中子星或恒星。

刘继峰小组在答复中承认，实际情况比原先想象的更复杂，但新增加的因素不足以推翻前提假设。目前，他们正从一个后来发现的简明的角度重新分析。初步结果与之前一致，达到太阳质量的65倍，仍然是历史上最大的恒星黑洞。

他们还期望欧洲航天局的盖亚望远镜能为这场学术辩论提供决定性的数据。

在理解双方的观点之前，我们不妨回到讨论的起点:一个被评估为“不可能存在”的黑洞。

“不可能”黑洞

2019年11月28日，《自然》杂志公布了国家天文台和张研究小组的一项重大发现。依靠郭守敬望远镜(LAMOST)，该团队在LB-1系统中发现了一个质量约为太阳70倍的黑洞。

许多媒体报道用“不可能”这个词来描述它。当刘继峰第一次发现它时，他自己说“我不敢相信”，认为这样的黑洞“不应该”存在于银河系中。LB-1的艺术想象地图(于静川画)。

事实上，在银河系的中心有一种超大质量黑洞，其阈值是太阳质量的数百万倍。为什么LB-1黑洞不可能有70倍于太阳的质量？

最初，研究小组判断，LB-1黑洞属于“恒星黑洞”，这是天体物理学中最小的黑洞类型。它的质量通常是太阳的3倍到数百倍，是由恒星爆炸形成的。

一般来说，恒星包含的金属越多，向外“吹”物质的恒星风就越强，大量的质量会提前丢失。根据这一推论，大质量恒星黑洞只能在金属丰度低的环境中形成。从我们银河系的化学成分来看，恒星黑洞不会超过30倍。

此前，天文学家在银河系发现的恒星黑洞的质量确实低于太阳的20倍。

然而，这次发现的LB-1的金属丰度与太阳相似(1.2倍)，但其质量接近太阳的70倍，这显然是一个“超类”，直接挑战了现有的恒星演化理论。

为此，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫·雷兹当时给予了很高的评价:“这一非凡的成就将促进黑洞天体物理学研究的复兴，以及LIGO和处女座在过去四年中探测到的双黑洞合并事件。”

两个关键前提

刘继峰团队是如何找到LB-1的？

他们的工具是兴隆天文台的郭守敬望远镜(LAMOST)，该望远镜主要用于监测开普勒望远镜扫描的天空，并跟踪双星系统。

他们创新地使用“径向速度法”来寻找无声黑洞。当天空接近或远离观察方向时，它的光谱将经历有规律的蓝移(较高频率)或红移(较低频率)，就像救护车加速接近时警笛声变得更高，而加速离开时警笛声变得更低一样。

他们碰巧发现一颗光谱为B型的恒星非常显眼。恒星的特征吸收线随时间振荡，但同时存在一条氢发射线，它几乎是静止的，与B型恒星的运行相位相反。

这表明它是围绕着一个看不见的物体旋转的，而那个天体的质量非常大，而且两者之间的差别非常大，导致恒星快速旋转，而看不见的物体的旋转却非常小。

根据刘继峰团队的计算，B型恒星的质量大约是太阳质量的8倍。根据比例计算，不可见天体的质量高达太阳质量的70倍，而且只能是黑洞。

从上述演绎过程中，我们发现有两个关键的先决条件，才能得出“太阳质量的70倍”的惊人结论:

1.“看不见的家伙”的氢发射线几乎是静止的，而不是真正静止的。它需要以非常小的幅度左右摆动，以在图像上形成类似酒瓶的形状。否则，它的质量将根据摇摆比超过天空，这很难解释。

2.可见的B型星实际上是太阳质量的8倍。按照这个比例，b型星的质量越大，“看不见的家伙”的质量就越大。

氢气排放线真的有轻微摆动吗？

尽管世界上最先进的光学望远镜，包括夏威夷的10米凯克望远镜和西班牙的10.4米GTC望远镜，在该论文发表时得到了跟踪和证实，但国际怀疑的声音一直持续至今。

去年12月9日，加州大学伯克利分校的研究生埃尔-巴德里在预印的网站上发布了一篇未经审查的文章。他认为氢发射线的轻微振荡是由B型星周围的大气吸收引起的，实际上是完全静止的。因此，这条氢发射线的来源不可能是黑洞。

1月10日，一组来自德国纽伦堡大学和波茨坦大学的天文学家在《天文学和天体物理学》上写道，这个天体可能根本不是黑洞，而是一颗大质量中子星，甚至是一颗普通恒星。

他们破碎的论点主要基于前提2。一些化学元素表明，可见的B型星可能已经被剥去外壳，只剩下1.1倍的太阳质量。根据这个计算，看不见的家伙只有太阳的2-3倍质量。

这一次，比利时鲁汶大学萨那团队的评论以“恢复讨论”的形式发表。他们的主要观点与badri相似，即氢发射线的轻微振荡是由B型星的吸收部分引起的。

他们认为从目前的数据来看，b型星的质量下限是太阳质量的4倍。如果两颗质量是太阳4倍的恒星形成一个双星系统，并且旋转足够快，那么另一颗恒星可能不会被探测到。

回复:最新的观察和分析仍然达到太阳质量的65倍。

“恢复讨论”是2018年底《自然》杂志上线的部分。如果对《自然》杂志以前发表的论文有特别有趣和及时的同行评论或解释，可以以“恢复讨论”的形式发表。同时，原文的作者得到了答复。如果编辑部认为回复“建设性地推进了讨论”，它将在发表“待讨论事项”的同时发表回复文章。

在回复文章中，刘继峰团队结合最新的光谱观测数据和分析，再次确认关键前提仍然有效。B型恒星的质量很可能是太阳质量的5到8倍，相应的黑洞质量是太阳质量的23到65倍。

鉴于氢发射线的轻微振荡，他们认为尽管B型星的吸收确实能移动氢发射线，但不能断定氢发射线是静止的。

事实上，氢的发射线还受到许多其他因素的影响，其中b型星的辐射和恒星风会造成b型星吸收的“抵消”效应。

此外，氢发射线的形状和宽度似乎都不是在双星系统的周围环境中产生的。

然而，作者的团队认识到氢排放线问题比最初想象的要复杂得多。他们发现帕邢发射线可以更简单、更清晰地用来测量“看不见的天体”的轨道运动。

刘继峰等人表示，相关文件已经在准备中。研究的初步结论是，帕邢发射线的峰值点清楚地显示了相对于B型星的反相轨道运动，这再次表明它是由另一个看不见的天体发射的，而不是双星系统的周围环境。

初步计算表明，可见天体和不可见天体的质量比在4.6-8.1之间，这与氢发射线测量结果一致。

刘继峰团队的文章也回应了德国团队关于“剥去星星的外壳”的问题。他们认为这种推测没有观测支持，并且“剥去外壳”的恒星的寿命很短，被击中的概率很低。

文章最后提到，这场学术辩论的最终评判者可能是盖亚望远镜。将望远镜数据与开普勒第三定律结合起来，就可以计算出可见和不可见天体的质量总和。