名副其实宇宙“吸光器”

北京时间2019年11月28日，今天，国际*科学杂志《自然》在线发布了由中国天文学家牵头的一项重要发现。中国科学院国家天文台的和张领导的研究小组发现了一个迄今为止质量最大的恒星黑洞，并利用中国主要科技基础设施——郭守敬望远镜(LAMOST)的巡天技术，提供了一种寻找黑洞的新方法。质量是太阳70倍的超大质量恒星黑洞远远超过理论预测的质量上限，颠覆了人们对恒星黑洞形成的认识，必将推动恒星演化和黑洞形成理论的创新。

宇宙吸收器

霍金在他的最后一本书《十个问题》中写道，“事实有时比小说更精彩。黑洞是这种现象最真实的表现。它们比科幻作家想象的任何东西都要精彩”。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，德国物理学家卡尔·史瓦西推导出爱因斯坦场方程的精确解，预言了黑洞的存在。从那以后，人类从未停止想象和探索这个神秘的天体。1965年，天鹅座X-1因其强烈的X射线辐射成为第一个被发现的候选黑洞。2015年，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更具体的证据。2019年，天文学家使用四大洲的八个观测点长达10年，捕捉到了黑洞的视觉证据——第一个黑洞“房融”，这给这个曾经“看不见”的怪异天体带来了些许亲和力。黑洞到底是什么，为什么几代天文学家都对它着迷？它不发光，密度非常高(在北京，它将一颗质量为太阳10倍的恒星压缩成一个直径为6圈的球体，相当于一个黑洞的密度)。它有超强的吸引力。任何经过它的物质都无法逃脱哪怕是最快的光。这个神奇的天体是一个黑洞。因此，可以说黑洞是名副其实的宇宙真空“吸收器”。

天文学家根据质量将黑洞分为恒星黑洞(质量低于太阳的100倍)、中等质量黑洞(质量是太阳的1-100，000倍)和超大质量黑洞(质量是太阳的100，000倍以上)。恒星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”。如果一颗恒星的质量太大(超过太阳质量的3倍)，无法形成白矮星或中子星，一旦它进入死亡阶段，就没有力量阻止恒星在终极重力的作用下坍缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系的中心可能有中等质量的黑洞，而超大质量的黑洞存在于星系的中心。例如，在银河系中心有一个质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞。

黑洞神秘而有趣。如果龙千渊把他们的爪牙藏起来，偷偷潜入宇宙的星辰之中。黑洞本身不发光。天文学家如何在广阔的宇宙中找到它们？然而，它们周围的小伴星声音太大，它们周围的吸积盘或伴星都显示出奇怪的“光环”。如果黑洞和一颗正常恒星形成一个紧密的双星系统，黑洞将会展现出它凶猛的爪子，直接从有强烈“食欲”的恒星伴星吸取气体物质，形成吸积盘，并发出明亮的x射线光(图1)。这些X射线光就像黑洞吞噬这些物质之前的“倒叙”，这是天文学家在过去几年追踪黑洞的有力线索。

到目前为止，银河系中几乎所有的恒星黑洞都是通过黑洞对伴星气体的吸积而发出的X射线来识别的。在过去的50年里，人们已经发现了大约20个黑洞，质量是太阳质量的3到20倍。银河系中有数千亿颗恒星。根据理论预测，银河系中应该有数亿个恒星级黑洞。然而，在黑洞双星系统中，只有一小部分能发射出X射线辐射。当黑洞远离它的伴星时，我们的“大胃王”也会表现出平静和温和的一面。如何寻找这些扁平的静态黑洞(没有伴星气体的增加)？在发现最大的恒星级黑洞的过程中，天文学家给出了一个全新的答案。

谁是在移动的星星？

国家天文台的和张领导的研究小组在浩瀚的星海中发现了一个异常的双星系统。这包括一个隐藏的黑洞吗？700天的追逐充满了艰辛和精彩。

2016年初，LAMOST科学测量部主任张研究员和云南天文台韩院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统研究计划。开普勒天空区域(K2-0)的3，000多个天体被选中进行为期两年的光谱监测。其中，一颗“走着拉着风”的B型星引起了研究者的注意。这颗恒星显示出有规律的周期性运动和不寻常的光谱特征。拉莫特的“眼睛”中的B型星的光谱携带着非常丰富的信息。除了获得诸如有效温度、表面重力和金属丰度等重要信息之外，光谱中的一条亮线(α发射线)几乎是静止的，与B型星的相位相反，这给这颗星增添了足够的神秘色彩。研究人员怀疑这颗B型恒星背后一定有一个故事，它围绕着看不见的“谁”转？它真的是黑洞吗？！！天文学家在追求宇宙真理的过程中绝不会放弃任何可能性。

为了进一步验证这颗特殊的B型星背后的真相，研究人员立即申请了西班牙10.4米加那利望远镜(GTC)的21次观测和美国10米凯克望远镜的7次高分辨率观测，进一步证实了B型星的性质。

根据光谱信息，研究人员计算出b型恒星的金属丰度大约是太阳丰度的1.2倍，其质量大约是太阳质量的8倍。这颗恒星有3500万年历史，距离我们14000光年。根据B型星的速度和振幅与α发射线的比值，研究人员计算出双星系统中有一个质量约为太阳70倍的不可见天体。它只能是一个黑洞。b型星后面的“大BOSS”是由天文学家用这种方法挖掘出来的。这个结果无疑令人兴奋和惊讶。然而，机会总是留给那些有准备的人。两年前，浩瀚的星海还没有“网络剧组”,今天的“主角”也没有出现。

为了纪念LAMOST对发现这个巨大恒星黑洞的贡献，天文学家将这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1(图3)。与其他已知的恒星黑洞不同，LB-1从未在任何X射线观测中被探测到。黑洞离它的伴星很远(1.5倍于每日距离)。研究人员用美国的钱德拉X射线天文台观察了这个源，发现这个新发现的黑洞对它的伴星的吸积非常弱，是一个“平静而温和”的恒星黑洞“冠军”。

黑洞“冠军”前世

自2015年以来，LIGO和处女座的引力波观测实验已经发现了几十倍于太阳质量的黑洞，远远高于之前已知的银河系恒星黑洞。研究人员发现的质量是太阳70倍的超大质量黑洞不仅揭示了银河系中存在如此巨大的恒星黑洞，还刷新了人类对恒星黑洞质量上限的认知(图4)。

论文的第一作者，研究员刘继峰说，一般模型认为大质量恒星黑洞主要是在金属丰度低的环境中形成的(不到太阳金属丰度的1/5)，而LB-1有一个金属丰度与太阳相似的B型恒星。目前，恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成质量高达太阳25倍的黑洞。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”。这可能意味着关于恒星演化形成黑洞的理论将*被改写，或者某种黑洞形成机制以前被忽略了。LIGO导演大卫。赖茨评论道，“在银河系中发现一个质量是太阳70倍的黑洞将迫使天文学家重写恒星黑洞的形成模型。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。”

另一种可能性是，LB-1中的黑洞可能不是由恒星坍缩形成的。研究人员怀疑LB-1最初是一个三体系统。观察到的B型星位于最外层轨道，是质量最小的部件。然而，目前的黑洞是由最初的内部双星形成的两个黑洞合并而成的。在这种情况下，该系统将成为黑洞合并事件的最佳候选，并为研究三体系统中双黑洞的形成提供一个独特的实验室。

“光谱之王”和“黑洞之王”的共同成就

这个“黑洞之王”的发现充分证实了LAMOST望远镜强大的光谱采集能力。LAMOST有4000只眼睛(4000根光纤)，一次可以观察近4000个天体。2019年3月，LAMOST公开发布了1125万个光谱，成为世界上首个突破1000万的光谱调查项目。天文学家称赞LAMOST是世界上光谱采集率最高的“光谱之王”(图5)。从2016年11月开始，为了发现和研究光谱双星，研究人员使用LAMOST在两年内对开普勒一天区域的3000多颗恒星进行了26次观测，累计曝光时间约为40小时。如果用一个普通的4米望远镜来发现这样一个黑洞(一年365天，一天8小时)，同样的概率需要40年！这充分体现了LAMOST的超高观测效率！

"如果你想做好工作，你必须首先使用你的工具."拉莫特，一种“天文武器”，帮助天文学家发现了今天的主角，“黑洞之王”“黑洞之王”的出现也为“光谱之王”拉莫特增添了更多的光彩这个迄今为止质量最大的恒星黑洞也是LAMOST发现的第一个黑洞，它的出现将标志着利用LAMOST的天体优势寻找黑洞的新时代的到来。据信，“光谱之王”和“黑洞之王”的共同成就将成为天文学界最喜爱的故事。

LB-1是一个具有安静x射线辐射的二元系统。用传统的x射线方法寻找这样的黑洞是不可行的。长期以来，人们一直认为径向速度监测可以发现一颗扁平而静止的黑洞双星，这一点已被迄今为止质量最大的黑洞的发现所证实。利用LAMOST在大规模天空测量和速度监测方法上的优势，我相信天文学家将会发现一批隐藏的平面和静态黑洞，从而逐渐揭开这个黑暗“家族”的内幕，并为研究黑洞成员的形成和演化及其质量分布迈出里程碑式的一步。