中国发现银河系最大恒星级黑洞！颠覆认知登上Nature：68倍太阳质量，自研郭守敬望远镜立大功

乾明 鱼羊 2019-11-28 12:19:14 来源：量子位

鱼羊 赖可 乾明 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

银河系中，竟然存在着68倍于太阳质量的巨大恒星级黑洞。

这一中科院领衔的最新发现，颠覆了过往对恒星演化模型的认知。

要知道，此前，按照天文学家的推演，银河系中单个恒星黑洞的质量不超过太阳的20倍。

这是因为，银河系中质量非常大的恒星，随着寿命的临近，在坍缩成黑洞之前，会因为爆炸和强大的恒星风而失去大部分质量。

留下太阳近70倍质量的余量，完全超出了科学家们的想象。

△LB-1的艺术想象图（喻京川绘）

论文一作，中国国家天文台的刘继峰研究员表示：

目前大多数恒星演化模型认为，在我们的银河系中不应该存在如此质量的黑洞。

这一电磁波波段最重恒星级黑洞的发现，还登上了最新一期的Nature。

发现了什么

这次，来自中国兴隆观测基地的LAMOST（郭守敬望远镜）立了大功。

2016年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划。

在用LAMOST对开普勒K2-0天区中的3000多个天体进行了为期两年的径向速度测量后，研究人员发现，有一颗B型星光谱携带了非常丰富的信息。

这颗距离地球1.5万光年的B型星本身，质量为8倍太阳质量，绕转周期为79天，其周期性运动和伴随的Hα射线指出，在它的身边，有一颗“看不见的天体”，很可能是一个黑洞。

研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜（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。

根据光谱信息分析后，惊人的结果出现了，那颗暗伴星，质量为68个太阳质量。

这只能是一个黑洞。并且，是目前银河系内发现的最重的恒星级黑洞。

根据论文一作刘继峰的介绍，一般模型认为，大质量的恒星级黑洞主要形成于低金属丰度环境（低于1/5太阳金属丰度），LB-1却拥有一个与太阳金属丰度相近（1.2倍太阳丰度）的B型星。

无论这颗恒星最初的质量有多大，目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞。

这种质量的黑洞甚至不应该存在于我们的星系中。

一种可能性，LB-1中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩形成的。

LB-1可能最初是一个三体系统，观测到的B型星位于最外轨道，是质量最小的组成部分，而现在的黑洞是由最初内部的双星形成的双黑洞并合而成。

研究团队猜想，LB-1的主星目前可能仍为两个黑洞，它们彼此绕转形成一个双星，而观测到的B型星是第三伴星。

△LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布

在此次黑洞发现过程中，LAMOST为这项研究进行了26次观测，累积曝光时间约40个小时。

LAMOST，即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，是一新类型的大视场兼备大口径望远镜，建成于2008年，拥有4000颗眼睛（4000根光纤），一次能观测近4000个天体，也是全世界光谱获取率最高的“光谱之王”：

今年3月份，其公开发布了1125万条光谱，成为全球首个突破千万的光谱巡天项目。

刘继峰说，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，同样的几率下，则需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献，天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。

颠覆恒星演化理论

黑洞是宇宙中已知的最致密天体，恒星黑洞则是大恒星演化的终极阶段。

大恒星不停地发生核聚变，在燃料燃烧尽后发生引力坍塌。黑洞形成之前，会发生爆炸，并产生强大的恒星风，这会使质量流失。

2007年，美国科学家发现了一颗质量达到了22～34倍大的黑洞。这颗黑洞被命名为IC 10 X-1 X-ray

发现这颗黑洞的科学家，马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理学中心的安德里亚•普雷斯特维奇（Andrea Prestwich）说：“我们没想到会发现这么大的恒星质量黑洞。”

这颗黑洞由垂死的恒星形成，科学家推测，这似乎表示，垂死的恒星形成的黑洞比一般所想象的要大很多。

从2015年起，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞，质量远高于先前已知的银河系里的恒星级黑洞。

这些探测结果都在挑战已有的对于恒星黑洞的理解，现有理论认为，质量过于大的恒星最终会不会成为黑洞，而是会演化成超新星，而落在50到65太阳质量的天体则会在一系列的演化过程中发射各种爆炸，不断损失质量，直到变得稳定。

按照这一逻辑，不应该有50到130太阳质量的黑洞。

这次发现70倍太阳质量的黑洞完全超出了这一理论的范畴。

佛罗利达大学的激光干涉仪引力波天文台（LIGO）主任戴维·雷茨（David Reitze）说：

这一发现迫使我们重新审视恒星级黑洞的形成模型。

接下来，利用LAMOST极高的观测效率，天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞，开创批量发现黑洞的新纪元。

55位作者，中国占了大半

如此研究，并非只有中国研究人员参与，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。

一共有55位作者，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29家单位。

来自中国的作者有40多位。研究的第一作者&通讯作者刘继峰，是中国科学院国家天文台首席研究员，银河系三维结构团组负责人。

他1991年进入北京大学读书，就读于天体物理学专业。1997年获得硕士学位之后，前往密歇根大学进一步深造。

2005年获天体物理学博士学位后，在哈佛大学做博士后及PI研究员，从事天体物理学研究，曾获美国宇航局爱因斯坦学者奖等。

2010年回国，在中科院国家天文台任职，主要研究兴趣是黑洞等致密天体和恒星族的多波段观测。

在这篇研究之外，分别在2013年、2015年以第一作者的身份发表了两篇Nature。

并于2014年获得国家杰出青年基金支持，2015年获科技部“中青年科技创新领军人才”，2016年获“全国优秀科技工作者”。2015年参与筹建国科大天文学院，并作为副院长负责教学等工作。

目前，他正致力于使用我国的重大科学装置LAMOST光谱巡天，结合海量多波段数据，利用云计算手段，试图解答关于致密天体和恒星研究的一些基本问题。

另一位通讯作者张昊彤，也是来自于国家天文台。

他1996年本科毕业于中国科学技术大学物理系，之后在中国科学技术大学天体物理中心攻读博士学位，并于2005年毕业。

之后便进入中国科学院国家天文台工作，担任副研究员。2014年升任为研究员。

主要的工作是领导的LAMOST科学巡天部，长期负责LAMOST的二维光纤光谱的处理、巡天计划的制定，以及望远镜性能测试及提高。

引发热议

你一定想不到，就在两年前，还有五位天文学家打赌，将来会不会发现55到130太阳质量的黑洞存在，两个人认为有。

所以现在，另外三个科学家每个人就要输掉两瓶100美元的葡萄酒了。

也有天文爱好者告诉量子位，这可能意味着宇宙中会有比预期更多的黑洞，同时也可能意味着会存在更多的黑洞合并事件。

同样，也有人评价说，这也就意味着，宇宙最大的自然规则，可能就是没有什么规则。

但毫无疑问，这一新发现颠覆了过往认知，可能会进一步改写我们现有的教科书。

宇宙如此神奇，宇宙还如此未知。

你怎么看？

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Nature论文：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2

参考资料:

https://www.quantamagazine.org/possible-detection-of-a-black-hole-so-big-it-should-not-exist-20190828/