這一發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，引起了人類對(duì)恒星級(jí)黑洞的新的思考，推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。
本文由中國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員
科普作家張軒中進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)
昨天（2019年11月28日）上午九點(diǎn)半，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)舉行“郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）發(fā)現(xiàn)迄今最大恒星級(jí)黑洞新聞發(fā)布會(huì)”。
圖片來源：中新網(wǎng)
這顆質(zhì)量為太陽(yáng)70倍的超大恒星級(jí)黑洞遠(yuǎn)超理論的25倍太陽(yáng)質(zhì)量的上限，這一重大發(fā)現(xiàn)將對(duì)恒星演化和黑洞形成理論做出重大貢獻(xiàn)。
巨大恒星級(jí)黑洞的發(fā)現(xiàn)，究竟對(duì)天體物理學(xué)的發(fā)展有何意義？LAMOST有什么獨(dú)特之處？它是如何發(fā)現(xiàn)這顆恒星級(jí)黑洞的？黑洞的形成與宇宙演化有什么聯(lián)系？這些問題在下面將一一為你解答。
什么是恒星級(jí)黑洞？
在了解恒星級(jí)黑洞之前，我們必須先知道黑洞是什么。
黑洞是宇宙中最神秘的天體，它的引力十分強(qiáng)大，甚至連光都無(wú)法逃脫它的引力束縛，因此人類無(wú)法直接觀察它。
此時(shí)，你一定想知道，這么神奇的天體是如何形成的？
黑洞原本是一顆質(zhì)量比太陽(yáng)大得多的恒星，這顆恒星和我們的太陽(yáng)一樣，在不停地發(fā)生核聚變反應(yīng)。不同的是，它不能像太陽(yáng)一樣在聚變?nèi)剂洗M后逐漸膨脹變成紅巨星。
恰恰相反，由于它質(zhì)量極大，在聚變?nèi)剂现饾u殆盡后，恒星內(nèi)部無(wú)法與恒星原子之間萬(wàn)有引力抗衡，導(dǎo)致內(nèi)核坍縮，形成黑洞。
根據(jù)黑洞的質(zhì)量大小人們將其分成三類：恒星級(jí)、中等質(zhì)量級(jí)和超大質(zhì)量級(jí)。
其中，超大質(zhì)量級(jí)黑洞存在于每一個(gè)星系的中央，它的質(zhì)量可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量，中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量在100至10萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間。恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量大于等于3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
▲ 射電望遠(yuǎn)鏡拍攝的真實(shí)黑洞（圖片來源見水印）
為什么科學(xué)家對(duì)這顆質(zhì)量為70倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞給予如此大的關(guān)注呢？
原來，按照之前恒星演化理論模型，在太陽(yáng)金屬豐度下，最大只能形成25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，但是這顆被命名為L(zhǎng)B-1的恒星級(jí)黑洞的質(zhì)量卻近乎是理論值的三倍！
這一發(fā)現(xiàn)讓中科院國(guó)家天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)大吃一驚，即使他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)這顆恒星級(jí)黑洞的三年內(nèi)反復(fù)檢查、推敲和無(wú)比嚴(yán)格的審稿過程，卻始終無(wú)法否認(rèn)這顆恒星級(jí)黑洞的存在。
他們將這一結(jié)果于2019年11月27日發(fā)表在《Nature》雜志上，并引起了很大的反響，LB-1的發(fā)現(xiàn)也給恒星級(jí)黑洞的理論模型帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
而這一發(fā)現(xiàn)的最大功臣正是我國(guó)自主研發(fā)的大口徑兼大視場(chǎng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡LAMOST。
名詞解釋
☆ 恒星演化的理論預(yù)言：1.恒星的命運(yùn)由初始的質(zhì)量、金屬豐度和物質(zhì)損失決定。2.金屬豐度主要通過星風(fēng)物質(zhì)損失影響恒星演化。3.大質(zhì)量恒星的金屬豐度越低，星風(fēng)損失率越低，核心質(zhì)量越大，核心坍縮形成的黑洞質(zhì)量也越大。
☆ 金屬豐度：天體和其他宇宙物質(zhì)中除氫和氦以外的所有元素的原子總數(shù)或總質(zhì)量的相對(duì)含量。
為什么是LAMOST？
LAMOST全名大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，它是世界上光譜獲取率最高、口徑（4m）最大的大視場(chǎng)（5°）的望遠(yuǎn)鏡。它能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)3000個(gè)天體，4000個(gè)光纖定位單元在幾分鐘之內(nèi)能夠使所有光纖對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。
從2016年秋季至今，研究團(tuán)隊(duì)在兩年中進(jìn)行了26次累計(jì)40小時(shí)的觀測(cè)，而一架普通4米望遠(yuǎn)鏡卻要花40年才能完成這個(gè)任務(wù)！
此外，LAMOST還具有薄鏡面與拼接面主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，有近千個(gè)促動(dòng)器在觀測(cè)過程中保證鏡面聚焦。它具有十分強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)處理軟件，3000多次更新，現(xiàn)已有8萬(wàn)多行程序。
然而，LAMOST最獨(dú)特之處不是它的大口徑，也不是它的大視場(chǎng)，而是它可以踐行利用視向速度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)黑洞的新方法。正是這一方法，才使得它能夠發(fā)現(xiàn)這顆“獨(dú)特的”恒星級(jí)黑洞。
LAMOST望遠(yuǎn)鏡（圖片來源見水印）
LAMOST不是像其他望遠(yuǎn)鏡利用X射線監(jiān)測(cè)黑洞 ，而是直接監(jiān)測(cè)大量恒星的運(yùn)動(dòng)。它通過光譜中譜線移動(dòng)揭示恒星運(yùn)動(dòng)，這需要獲取大量恒星的大量光譜，而恰恰是它極高的光譜獲取率和并行可控的光前定位系統(tǒng)，使它能夠完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。
名詞解釋
☆ 黑洞周圍的物體會(huì)受到它強(qiáng)引力影響，發(fā)出X射線，可以借此觀察到黑洞的存在。
LAMOST發(fā)現(xiàn)黑洞的歷程
黑洞非常小，自身不發(fā)光，而且距離我們十分遙遠(yuǎn)，所以科學(xué)家很難發(fā)現(xiàn)它們的存在。
目前，觀測(cè)黑洞的方法主要有三種
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第一種：通過引力波實(shí)驗(yàn)聆聽時(shí)空的漣漪推知雙黑洞合并事件，但是這一方法只適用于稀少的雙黑洞。
第二種：通過監(jiān)測(cè)明亮伴星的運(yùn)動(dòng)推知黑洞的存在并測(cè)量黑洞質(zhì)量，這一監(jiān)測(cè)方法適用于明亮伴星和黑洞同時(shí)出現(xiàn)。這種方法在銀河系中只探測(cè)到約20個(gè)恒星級(jí)黑洞，并且質(zhì)量都小于20倍太陽(yáng)質(zhì)量。
第三種方法就是傳統(tǒng)地利用黑洞吸盤X射線指引，但是只有極少數(shù)才能產(chǎn)生這樣的輻射。而正是因?yàn)長(zhǎng)AMOST研究團(tuán)隊(duì)他們突破傳統(tǒng)方法的限制才使得他們能發(fā)現(xiàn)LB-1。
▲ 新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖
LB-1是一顆B型星，LAMOST通過對(duì)這顆恒星級(jí)黑洞光譜輪廓的精準(zhǔn)檢測(cè)與比對(duì)，研究人員計(jì)算出它的視向速度周期為78.9天，振幅為105公里每秒，表面有效溫度為18100±820K，表面重力加速度為lg=3.43±0.15的B型亞巨星。
研究人員給出了LB-1的兩個(gè)模型。
第一個(gè)模型是LB-1起源于原初雙星，這一模型起源于他們對(duì)光學(xué)伴星的觀測(cè)，表明它的金屬豐度與太陽(yáng)相似。但是，這無(wú)法形成特大質(zhì)量黑洞。
第二個(gè)模型是LB-1的黑洞起源于貧金屬恒星，通過動(dòng)力學(xué)過程俘獲伴星。但是，動(dòng)力學(xué)過程形成的雙星具有偏心軌道。
對(duì)LB-1來說，潮汐力導(dǎo)致的軌道圓化時(shí)標(biāo)超過宇宙年齡。所以，目前還沒有什么理論模型能符合LB-1。對(duì)于這一發(fā)現(xiàn)，研究人員給出了結(jié)論：現(xiàn)有的恒星演化理論是不完備的，或者存在未知的黑洞雙星形成機(jī)制。
圖片來源于新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)
名詞解釋
☆ B型星：指年齡為28-48Myr，質(zhì)量在7-9.1M⊙，恒星半徑在7-11R⊙的星體。
☆ 光譜：恒星星光在不同波長(zhǎng)下處的強(qiáng)度分布。
發(fā)現(xiàn)這顆恒星級(jí)黑洞的意義
LB-1恒星際黑洞表明現(xiàn)有的恒星演化理論是不完備的，或者存在未知的黑洞雙星形成機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，引起了人類對(duì)恒星級(jí)黑洞的新的思考，推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新。
從牛頓機(jī)械宇宙模型到愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出，再到引力波的成功探測(cè)、黑洞真實(shí)照片的拍攝……科技理論不斷進(jìn)步，人類也在不斷地接近真理。
這次恒星級(jí)黑洞的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑又是人類歷史進(jìn)程中的一個(gè)重要里程碑。
