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郭守敬望远镜捕捉黑洞之王 发现迄今最大恒星级黑洞
发布时间:2019-12-09  点击:  来源:人民日报
中国天文学家依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。

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记者近日从中科院国家天文台获悉,中国天文学家依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。

这颗70倍太阳质量的黑洞远超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。

北京时间2019年11月28日凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的这一项重大发现。

观测恒星级黑洞的两种传统方法

黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质,包括光也无法从它身边逃离。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。这其中,恒星级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”。

由于黑洞自身不发光,难以被发现。目前恒星级黑洞被观测验证有两种方法,一是通过引力波实验聆听时空的涟漪推知双黑洞并合事件,适用于发现稀少的双黑洞。二是通过监测明亮伴星的运动推知黑洞存在并测量黑洞质量,适用于发现有明亮伴星的黑洞。

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——而且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倍太阳质量的黑洞。

“在传统方法中,需要黑洞吸积盘X射线指引,但是只有极少数黑洞和伴星很近的系统能产生X射线辐射,使黑洞被发现。”论文第一作者和通讯作者刘继峰说道。

找到新的方法,发现数量巨大、没有X射线辐射的黑洞,成了天文学界近年来研究的热点和难点。

 LAMOST发现找寻黑洞新方法

LAMOST监测揭示黑洞不依赖X射线,而是直接监测大量恒星的运动。

光谱,就好比恒星的条形码。“光谱中谱线移动揭示恒星运动,需要获取大量恒星的大量光谱。在上世纪六十年代,人们已经调集大量观测资源进行研究,但是由于设备灵敏度、数据质量等问题,最后没有发现黑洞。”刘继峰说,如今,我国自主研制的先进设备LAMOST可以同时获取4000个光谱,世界上光谱获取率最高,可以践行利用视向速度监测发现黑洞的新方法。

2016年秋季开始,国家天文台领导的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究,历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现,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”极有可能是一颗黑洞。研究人员随即进行了“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。

“它是迄今为止质量最大的由恒星坍缩形成的恒星级黑洞,相当于最小级别黑洞中的‘小霸王’。”刘继峰说。

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。刘继峰表示,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。

天文学家会为恒星级黑洞拍照片吗?刘继峰表示,此次发现的黑洞是恒星级的黑洞,质量和视界也非常小,相比此前拍摄过照片的超大质量、M87黑洞,LB-1的视界要小的多,目前的技术还没有办法给它拍照片。

 猎手计划5年内预计发现近百个黑洞

目前恒星演化理论预言,在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

LIGO(美国激光干涉引力波天文台)台长大卫·雷茨评论,“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。这一非凡的成果,将与过去四年里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)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”。

据悉,这项工作是基于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。研究共包括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28家单位。

刘继峰说,下一步将开展“黑洞猎手计划”,利用LAMOST极高的观测效率,开始监测四个其他天区,用视向速度监测和天测数据结合,批量发现黑洞并测量黑洞质量。预计5年内发现并测量近百个黑洞,五倍于银河系中已知黑洞。

届时,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。“通过擘画黑洞群像,构建具有统计显著性的致密天体质量分布,将解答致密天体研究的系列基本问题。”刘继峰说。

据悉,黑洞小分队将由国家天文台、上海天文台、武汉大学等跨院校的团组组成。

揭秘

LAMOST如何发现黑洞?

坐落在河北省的中国科学院国家天文台兴隆观测站内,一座巨大的白色建筑斜架在燕山主峰南麓,指向天空,这就是新类型的大视场兼备大口径望远镜——郭守敬望远镜(英文缩写LAMOST)。LAMOST突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得的难题,成为目前国际上口径最大的大视场望远镜。它拥有4000根光纤,一次能观测近4000个天体。

2019年3月,LAMOST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,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

国家天文台高级工程师白仲瑞介绍,LAMOST有两大自主创新技术,一是薄镜面与拼接镜面主动光学技术,近千个力促动器在观测过程中保证镜面聚焦。二是并行可控光纤定位系统,4000个光纤定位单元在几分钟内使所有光纤对准目标。

“目前LAMOST的数据处理系统非常复杂,科研人员从2004年开始开发,历经10余年,有3000多次更新,现有8万多行程序,数据精度达到国际先进水平。”白仲瑞说。

此黑洞发现过程中

LAMOST起了什么作用?

白仲瑞说,如果恒星绕着一颗主星旋转的话,它的视向速度会有周期性变化,天文学家用视向速度的变化监测器是否为“双星”,并选择双子座附近的天区,对3000多颗恒星进行26次重复监测,根据光谱计算出视向速度。其中,天文学家发现300颗恒星有周期规律,根据光谱和周期变化的幅度,估计了主星和伴星的质量,其中有22个致密天体的候选体。

“其中有一个特别奇怪,它有B型星的光谱,还有强Hα发射线,B型星的视向速度有漂亮的周期性变化,但是Hα发射线视向速度的变化非常小,通过进一步研究,天文学家证实这是一个黑洞。”白仲瑞说,这样的概率表明,LAMOST是探索黑洞的最佳选择,利用LAMOST数据可以产生突破性的、世界领先的研究成果。

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