揭開(kāi)“黑洞之王”的神秘面紗

圖① 存在于星系中心的超大質(zhì)量黑洞。 （來(lái)源：NASA）

圖② 巨型黑洞藝術(shù)想象圖。喻京川繪

圖③ 我國(guó)自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST。 （資料圖片）

追逐茫茫宇宙中那個(gè)遙遠(yuǎn)神秘天體，數(shù)百年來(lái)無(wú)數(shù)科學(xué)家前赴后繼。11月28日凌晨，我國(guó)科學(xué)家宣布：依托我國(guó)自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”。這顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新——宇宙神秘面紗正一點(diǎn)點(diǎn)向世人揭開(kāi)。

“事實(shí)有時(shí)候比小說(shuō)更奇妙，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙。”霍金在其最后的著作《十問(wèn)》中這樣寫(xiě)道。

經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的不懈努力，11月28日凌晨，我國(guó)科學(xué)家宣布：依托我國(guó)自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的恒星級(jí)黑洞，大小為太陽(yáng)質(zhì)量的70倍，距離我們約1.5萬(wàn)光年。

恒星級(jí)黑洞中的這顆“小霸王”黑洞，其質(zhì)量超乎科學(xué)家們的想象。“這是一個(gè)非凡的發(fā)現(xiàn)，它將迫使天文學(xué)家改寫(xiě)恒星級(jí)黑洞的形成模型。”專(zhuān)家們表示。

宇宙吸光器

1915年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)言了黑洞的存在。自此，人類(lèi)就沒(méi)有停止過(guò)對(duì)這種神秘天體的想象和探索。2015年，首次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據(jù)。今年，天文學(xué)家歷時(shí)10年利用四大洲8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺(jué)證據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見(jiàn)摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。

黑洞到底是什么，為何一代代天文學(xué)家為之如此著迷？本身不發(fā)光，具有超強(qiáng)吸引力，任何從其身邊經(jīng)過(guò)的物質(zhì)，就連速度最快的光也無(wú)法逃離——黑洞，是個(gè)名副其實(shí)的宇宙真空“吸光器”。不僅如此，它的密度出奇地大。有多大？把10倍于太陽(yáng)質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中，這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度。

根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，天文學(xué)家將黑洞大致分為恒星級(jí)黑洞（100倍太陽(yáng)質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（100倍至10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

按照科學(xué)家們的認(rèn)知，一顆恒星演化到最后如果剩下的質(zhì)量太多，即大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量，則既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進(jìn)入死亡階段，就沒(méi)有任何力量可以阻止這顆恒星在終極引力的作用下持續(xù)塌縮，最終形成致密的黑洞。

“球狀星團(tuán)和矮星系中心或許有中等質(zhì)量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質(zhì)量黑洞，比如銀河系中心就有一個(gè)約400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。”國(guó)家天文臺(tái)研究員劉繼峰說(shuō)。

“捕捉”黑洞

神秘又有趣，若龍潛深淵隱藏爪牙，潛行于宇宙星海中。可黑洞本身不發(fā)光，天文學(xué)家如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢？

答案是間接觀測(cè)。劉繼峰介紹，觀測(cè)驗(yàn)證黑洞通常有兩種方法，一種是通過(guò)引力波實(shí)驗(yàn)聆聽(tīng)時(shí)空的漣漪，進(jìn)而推知黑洞并合事件，但這僅適用于稀少的雙黑洞，即兩個(gè)星系碰撞合并后產(chǎn)生的兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。還有一種方法是通過(guò)監(jiān)測(cè)明亮伴星的運(yùn)動(dòng)推知黑洞存在，并測(cè)量黑洞質(zhì)量。過(guò)去50年里，人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞，質(zhì)量均在3倍到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。

原來(lái)，黑洞雖然不發(fā)光，不過(guò)它們身邊的小伙伴們實(shí)在是太高調(diào)，周邊的吸積盤(pán)或者伴星都表現(xiàn)出異樣的“氣場(chǎng)”：如果黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)距離較近的雙星系統(tǒng)，黑洞就會(huì)露出猙獰的爪牙，以強(qiáng)大的“胃口”直接把這顆伴星上的氣體物質(zhì)吸過(guò)來(lái)，形成吸積盤(pán)，發(fā)出明亮的X射線光。這些X射線光如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，而就是這一“照”，成為天文學(xué)家這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級(jí)黑洞均通過(guò)黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來(lái)識(shí)別的。

按照理論預(yù)測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級(jí)黑洞，不過(guò)在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的僅占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)時(shí)，我們的“大胃王”也會(huì)表現(xiàn)出平靜溫和的一面。

既然如此，對(duì)于這些平靜態(tài)，即不吸積伴星氣體的黑洞，該如何搜尋呢？天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過(guò)程中給出了全新答案。

LAMOST再立功

這顆距離地球1.5萬(wàn)光年之外的恒星級(jí)“黑洞之王”，其發(fā)現(xiàn)與一個(gè)默默奉獻(xiàn)的“大功臣”——LAMOST，密不可分。“如果利用一架普通4米口徑望遠(yuǎn)鏡來(lái)尋找這樣一顆黑洞，相同幾率下，則需要40年時(shí)間，這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率。”劉繼峰表示。

他說(shuō)，早在上世紀(jì)六七十年代，人類(lèi)就已經(jīng)調(diào)動(dòng)了大量觀測(cè)資源來(lái)發(fā)現(xiàn)黑洞，但由于設(shè)備靈敏度以及海量數(shù)據(jù)處理的難題，最終收效甚微。迫于現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家們想到了利用X射線來(lái)識(shí)別黑洞的方法，但也困難重重。

怎么辦？找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒(méi)有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。關(guān)鍵時(shí)刻，我國(guó)自主研制的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST派上用場(chǎng)。

我們知道，黑洞是由大質(zhì)量的恒星死亡后發(fā)生引力塌縮形成的。“研究天體，科學(xué)家們常常有3個(gè)觀測(cè)維度：明暗、顏色、位置。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師白仲瑞介紹，這其中，顏色是科學(xué)家們常常使用的觀測(cè)依據(jù)，而顏色又會(huì)在光譜特征上有所表現(xiàn)。“換句話說(shuō)，光譜就像天體的‘條形碼’。”白仲瑞解釋。

而收集這些巨量“條形碼”恰恰是“光譜之王”——LAMOST所擅長(zhǎng)的。白仲瑞說(shuō)，LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST公開(kāi)發(fā)布了1125萬(wàn)條光譜，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

“工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST這臺(tái)“天文利器”，助力天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了今天的主角“黑洞之王”。

2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺(tái)韓占文院士提出利用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，開(kāi)展雙星系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并選擇了開(kāi)普勒一個(gè)天區(qū)中的3000多顆恒星開(kāi)展了為期兩年的光譜監(jiān)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射寧?kù)o的雙星系統(tǒng)（LB-1）中，一顆8倍太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個(gè)“看不見(jiàn)的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)，這個(gè)“看不見(jiàn)的天體”還表現(xiàn)不同尋常的光譜特征。

這顆B型星背后一定有故事，它到底在繞著看不見(jiàn)的“誰(shuí)”在運(yùn)動(dòng)？莫非真的是黑洞！天文學(xué)家在追逐宇宙真相的道路上從來(lái)不會(huì)輕易放過(guò)任何一種可能。短暫的激動(dòng)興奮過(guò)后，研究人員隨即申請(qǐng)了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡協(xié)助觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的光譜性質(zhì)。

根據(jù)光譜信息，研究人員計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽(yáng)豐度，質(zhì)量約為8倍太陽(yáng)質(zhì)量，年齡約為35百萬(wàn)年，距離我們1.4萬(wàn)光年。“再輔以其他證據(jù)，研究人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽(yáng)質(zhì)量的不可見(jiàn)天體，它只能是黑洞。”劉繼峰稱(chēng)。

顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

故事至此還沒(méi)有結(jié)束。

根據(jù)目前的恒星演化模型，只允許在太陽(yáng)金屬豐度下形成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。換句話說(shuō)，銀河系中單個(gè)恒星黑洞的質(zhì)量不應(yīng)該超過(guò)太陽(yáng)的20倍。而LAMOST的發(fā)現(xiàn)，可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被迫改寫(xiě)，或者以前某種黑洞形成機(jī)制被忽視。

事實(shí)究竟是怎樣的？答案是：繼續(xù)觀測(cè)并驗(yàn)證。“在接下來(lái)的長(zhǎng)達(dá)兩年之久的監(jiān)測(cè)時(shí)間里，LAMOST共為這項(xiàng)研究做了26次觀測(cè)，累積曝光時(shí)間約40個(gè)小時(shí)。”劉繼峰說(shuō)。

時(shí)光不負(fù)情深。最終的結(jié)果成就了LAMOST的這段佳話。為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上作出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個(gè)包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為L(zhǎng)B-1。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞與它的伴星相距較遠(yuǎn)，有1.5倍日地距離。研究人員用美國(guó)錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)其伴星吸積非常微弱，是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級(jí)黑洞“冠軍”。

這一發(fā)現(xiàn)有何意義？美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO從2015年起，通過(guò)探測(cè)引力波的方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞；2017年，雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探測(cè)方面的貢獻(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

劉繼峰說(shuō)，LB-1是一個(gè)X射線輻射寧?kù)o的雙星系統(tǒng)，利用常規(guī)X射線方法搜尋這類(lèi)黑洞是行不通的。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。利用LAMOST大規(guī)模巡天優(yōu)勢(shì)和速度監(jiān)測(cè)方法，相信天文學(xué)家將會(huì)發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的平靜態(tài)黑洞，從而逐步揭開(kāi)這個(gè)黑暗“家族”的內(nèi)幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步。

“接下來(lái)，利用LAMOST極高的觀測(cè)效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)一大批‘深藏不露’的黑洞,開(kāi)創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。”劉繼峰表示。（記者 沈 慧）