揭开“黑洞之王”的神秘面纱

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  图① 指在于星系中心的超大质量黑洞。 (来源:NASA)

  图② 巨型黑洞艺术想象图。喻京川绘

  图③ 我国自主研制的郭守敬望远镜LAMOST。 (资料图片)

  追逐茫茫宇宙中那个遥远神秘天体,数百年来无数科学家前赴后继。11月28日午夜,我国科学家签署:依托我国自主研制的郭守敬望远镜LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”。这颠覆了亲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——宇宙神秘面纱正一点点向世人揭开。

  “事实有日后比小说更奇妙,黑洞最能真实地体现你你这个 点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙。”霍金在其最后的著作《十问》中从前写道。

  经过科学家们的不懈努力,11月28日午夜,我国科学家签署:依托我国自主研制的郭守敬望远镜LAMOST,成功“活捉”一“黑洞之王”——这颗在银河系内发现的恒星级黑洞,大小为太阳质量的70倍,距离亲们约1.十五万光年。

  恒星级黑洞中的这颗“小霸王”黑洞,其质量超乎科学家们的想象。“这是另3个 非凡的发现,它将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。”专家们表示。

  宇宙吸光器

  1915年爱因斯坦提出广义相对论,德国物理学家卡尔·史瓦西推导出了爱因斯坦场方程式的另3个 精确解,预言了黑洞的指在。自此,人类就那末停止过对你你这个 神秘天体的想象和探索。2015年,首次探测到的引力波为黑洞的指在提供了更为具体的证据。今年,天文学家历时10年利用四大洲8个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”,要我你这个 从前“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。

  黑洞到底是哪些,要怎样会一代代天文学家为之那末着迷?有并不是不发光,具有超强吸引力,任何从其身边经过的物质,就连效率最快的光也无法逃离——黑洞,是个名副我我人太好的宇宙真空“吸光器”。不仅那末,它的密度出奇地大。有多大?把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中,从前的密度就共要黑洞的密度。

  根据黑洞质量的不同,天文学家将黑洞大致分为恒星级黑洞(1150倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(1150倍至十五万倍太阳质量)和超大质量黑洞(十五万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,是宇宙中广泛指在的“居民”。

  按照科学家们的认知,一颗恒星演化到最后不可能 剩下的质量不多,即大于3倍太阳质量,则既那末形成白矮星,就是我能成为中子星,一旦进入死亡阶段,就那末任何力量都还能不能阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

  “球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞,而在星系的中心指在着超大质量黑洞,比如银河系中心就另3个 约150万倍太阳质量的超大质量黑洞。”国家天文台研究员刘继峰说。

  “捕捉”黑洞

  神秘又有趣,若龙潜深渊隐藏爪牙,潜行于宇宙星海中。可黑洞有并不是不发光,天文学家要怎样在茫茫宇宙中寻找到它们呢?

  答案是间接观测。刘继峰介绍,观测验证黑洞通常有有并不是辦法 ,有并不是是通过引力波实验聆听光阴的涟漪,进而推知黑洞并合事件,但这仅适用于稀少的双黑洞,即另3个 星系碰撞合并后产生的另3个 相互绕转的黑洞。还有有并不是辦法 是通过监测明亮伴星的运动推知黑洞指在,并测量黑洞质量。过去150年里,亲们用该种辦法 发现了约20颗黑洞,质量均在3倍到20倍太阳质量之间。

  从前,黑洞我人太好不发光,不过它们身边的小伙伴们我我人太好是太高调,附近的吸积盘不可能 伴星都表现出异样的“气场”:不可能 黑洞与一颗正常恒星组成另3个 距离较近的双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,以强大的“胃口”直接把这颗伴星上的液体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线光。哪些X射线光如同哪些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,而就是我你你这个 “照”,成为天文学家哪些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。迄今为止,银河系中几乎所有的恒星级黑洞均通过黑洞吸积伴星液体所发出的X射线来识别的。

  按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,不过在黑洞双星系统中,要能发出X射线辐射的仅占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时,亲们的“大胃王”也会表现出平静温和的一面。

  既然那末,对于哪些平静态,即不吸积伴星液体的黑洞,该要怎样搜寻呢?天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新答案。

  LAMOST再立功

  这颗距离地球1.十五万光年之外的恒星级“黑洞之王”,其发现与另3个 默默奉献的“大功臣”——LAMOST,密不可分。“不可能 利用一架普通4米口径望远镜来寻找从前一颗黑洞,相同几率下,则都还能不能40年时间,这充分体现出LAMOST超高的观测效率。”刘继峰表示。

  我说,早在上世纪六七十年代,人类就不可能 调动了少量观测资源来发现黑洞,但不可能 设备灵敏度以及海量数据外理的大问题,最终收效甚微。迫于现实,科学家们想到了利用X射线来识别黑洞的辦法 ,但也困难重重。

  要怎样会办?找到新的辦法 ,发现数量巨大、那末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。关键时刻,我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜LAMOST派上用场。

  亲们知道,黑洞是由大质量的恒星死亡后指在引力塌缩形成的。“研究天体,科学家们常常有3个观测维度:明暗、颜色、位置。”中国科学院国家天文台高级工程师白仲瑞介绍,这其中,颜色是科学家们常常使用的观测辦法 ,而颜色又会在光谱行态上有所表现。“换句话说,光谱就像天体的‘条形码’。”白仲瑞解释。

  而埋点哪些巨量“条形码”恰恰是“光谱之王”——LAMOST所擅长的。白仲瑞说,LAMOST拥有1500颗眼睛(1500根光纤),一次能观测近1500个天体。2019年3月,LAMOST公开发布了112十五万条光谱,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

  “工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST这台“天文利器”,助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”。

  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,并选泽了开普勒另3个 天区中的1150多颗恒星开展了为期两年的光谱监测。结果发现,在另3个 X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗8倍太阳质量的蓝绿色恒星,围绕另3个 “看不见的天体”做着周期性运动,你你这个 “看不见的天体”还表现不同寻常的光谱行态。

  这颗B型星手中一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”在运动?莫非真的是黑洞!天文学家在追逐宇宙真相的道路上从来前会轻易放过任何有并不是不可能 。短暂的激动兴奋日后,研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜协助观测,进一步确认了B型星的光谱性质。

  根据光谱信息,研究人员计算出B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度,质量约为8倍太阳质量,年龄约为35百万年,距离亲们1.4万光年。“再辅以一点证据,研究人员计算出该双星系统中指在另3个 质量约为70倍太阳质量的不可见天体,它那末是黑洞。”刘继峰称。

  颠覆传统认知

  故事至此还那末开始英文英语 英文。

  根据目前的恒星演化模型,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,若果,LB-1中黑洞的质量不可能 进入了现有恒星演化理论的“禁区”。换句话说,银河系中单个恒星黑洞的质量不应该超过太阳的20倍。而LAMOST的发现,不可能 意味分析有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写,不可能 日后有并不是黑洞形成机制被忽视。

  事实究竟是要怎样的?答案是:继续观测并验证。“在接下来的长达两年之久的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,部分曝光时间约40个小时。”刘继峰说。

  光阴不负情深。最终的结果成就了LAMOST的这段佳话。为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上作出的贡献,天文学家给你你这个 含高黑洞的双星系统命名为LB-1。与一点已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,这颗黑洞与它的伴星相距较远,有1.5倍日地距离。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测,发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积非常微弱,是另3个 “平静温和”的恒星级黑洞“冠军”。

  你你这个 发现有何意义?美国激光干涉引力波天文台LIGO从2015年起,通过探测引力波的辦法 发现了数十倍太阳质量的黑洞;2017年,雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。

  刘继峰说,LB-1是另3个 X射线辐射宁静的双星系统,利用常规X射线辦法 搜寻相似 黑洞是行不通的。长期以来,亲们认为径向效率监测都还能不能发现平静态的黑洞双星,这颗迄今最大质量黑洞的发现证实了你你这个 点。利用LAMOST大规模巡天优势和效率监测辦法 ,相信天文学家不可能 发现一批深藏不露的平静态黑洞,从而逐步揭开你你这个 黑暗“家族”的内幕,为研究黑洞成员的形成演化以及质量分布迈出标志性的一步。

  “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。”刘继峰表示。