我国天文学家发现迄今最大恒星级黑洞 依托郭守敬望远镜,将开创批量发现黑洞的新纪元

  竣工十年的郭守敬望远镜(LAMOST),昨天迎来最重大发现:由中国科学院国家天文台研究员刘继峰、张昊彤主导的一个多国研究团队,依托该望远镜,发现了一颗迄今质量最大的恒星级黑洞,其质量约为太阳的70倍,这远远超出理论预言的质量上限,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

  黑洞是一种本身不发光的神秘天体。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。其中,恒星级黑洞是由大质量恒星死亡而形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。

  根据宇宙理论预言,银河系中有上亿颗恒星级黑洞。但迄今为止,天文学家仅在银河系发现了约20颗恒星级黑洞,且它们都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的,质量均小于20倍太阳质量。

  找到新方法、发现更多没有X射线辐射的黑洞,成为天文学界近年来研究的热点和难点。自2016年秋季开始,国家天文台领衔的研究团队利用我国自主研制的国家大科学装置LAMOST开展双星课题研究,在两年内监测了一个小天区内的3000多颗恒星。结果,他们发现,在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗8倍太阳质量的蓝色恒星,围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”极有可能是一黑洞。

  研究人员随即展开确认:他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜,进一步确认了LB-1的光谱性质,计算出该黑洞的质量大约是太阳的70倍。

  值得一提的是,在两年之久的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时——如果用一架普通4米口径望远镜来做同样工作,则需要40年的时间!

  目前的恒星演化理论预言,在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。而这颗新发现的黑洞,其质量已突破了现有理论的“禁区”。

  美国激光干涉引力波天文台(LIGO)从2015年起,通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞。LIGO台长大卫·雷茨认为,在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。“这一非凡成果,将与过去四年里LIGO及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

  此次的研究工作是基于LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉X射线天文台(美国)的观测数据完成的。这项研究共包括55位作者以及来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家的28家科研机构。

  (原载于《文汇报》 2019-11-29 07版)

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