史上最大恒星级黑洞?人类离宇宙起源又进了一步

作者:黄韦杰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-11-29

这一发现颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,引起了人类对恒星级黑洞的新的思考,推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

本文由中国物理学会会员

科普作家张轩中进行科学性把关

昨天(2019年11月28日)上午九点半,中国科学院国家天文台举行“郭守敬望远镜(LAMOST)发现迄今最大恒星级黑洞新闻发布会”。

图片来源:中新网

图片来源:中新网

这颗质量为太阳70倍的超大恒星级黑洞远超理论的25倍太阳质量的上限,这一重大发现将对恒星演化和黑洞形成理论做出重大贡献。

厉害了

巨大恒星级黑洞的发现,究竟对天体物理学的发展有何意义?LAMOST有什么独特之处?它是如何发现这颗恒星级黑洞的?黑洞的形成与宇宙演化有什么联系?这些问题在下面将一一为你解答。

小点点

什么是恒星级黑洞?

在了解恒星级黑洞之前,我们必须先知道黑洞是什么。

黑洞是宇宙中最神秘的天体,它的引力十分强大,甚至连光都无法逃脱它的引力束缚,因此人类无法直接观察它。

此时,你一定想知道,这么神奇的天体是如何形成的?

黑洞原本是一颗质量比太阳大得多的恒星,这颗恒星和我们的太阳一样,在不停地发生核聚变反应。不同的是,它不能像太阳一样在聚变燃料殆尽后逐渐膨胀变成红巨星。

恰恰相反,由于它质量极大,在聚变燃料逐渐殆尽后,恒星内部无法与恒星原子之间万有引力抗衡,导致内核坍缩,形成黑洞。

根据黑洞的质量大小人们将其分成三类:恒星级、中等质量级和超大质量级。

其中,超大质量级黑洞存在于每一个星系的中央,它的质量可以达到数百万倍的太阳质量,中等质量黑洞的质量在100至10万个太阳质量之间。恒星级黑洞的质量大于等于3个太阳质量。

▲ 射电望远镜拍摄的真实黑洞

▲ 射电望远镜拍摄的真实黑洞(图片来源见水印

为什么科学家对这颗质量为70倍太阳质量的恒星级黑洞给予如此大的关注呢?

原来,按照之前恒星演化理论模型,在太阳金属丰度下,最大只能形成25倍太阳质量的黑洞,但是这颗被命名为LB-1的恒星级黑洞的质量却近乎是理论值的三倍!

这一发现让中科院国家天文台研究团队大吃一惊,即使他们在发现这颗恒星级黑洞的三年内反复检查、推敲和无比严格的审稿过程,却始终无法否认这颗恒星级黑洞的存在。

他们将这一结果于2019年11月27日发表在《Nature》杂志上,并引起了很大的反响,LB-1的发现也给恒星级黑洞的理论模型带来了巨大的挑战。

而这一发现的最大功臣正是我国自主研发的大口径兼大视场光学望远镜LAMOST。


名词解释

 恒星演化的理论预言:1.恒星的命运由初始的质量、金属丰度和物质损失决定。2.金属丰度主要通过星风物质损失影响恒星演化。3.大质量恒星的金属丰度越低,星风损失率越低,核心质量越大,核心坍缩形成的黑洞质量也越大。

 金属丰度:天体和其他宇宙物质中除氢和氦以外的所有元素的原子总数或总质量的相对含量。

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为什么是LAMOST?

LAMOST全名大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,它是世界上光谱获取率最高、口径(4m)最大的大视场(5°)的望远镜。它能够同时监测3000个天体,4000个光纤定位单元在几分钟之内能够使所有光纤对准目标。

从2016年秋季至今,研究团队在两年中进行了26次累计40小时的观测,而一架普通4米望远镜却要花40年才能完成这个任务!

此外,LAMOST还具有薄镜面与拼接面主动光学技术,有近千个促动器在观测过程中保证镜面聚焦。它具有十分强劲的数据处理软件,3000多次更新,现已有8万多行程序。

然而,LAMOST最独特之处不是它的大口径,也不是它的大视场,而是它可以践行利用视向速度监测发现黑洞的新方法。正是这一方法,才使得它能够发现这颗“独特的”恒星级黑洞。

LAMOST望远镜

LAMOST望远镜(图片来源见水印

LAMOST不是像其他望远镜利用X射线监测黑洞 ,而是直接监测大量恒星的运动。它通过光谱中谱线移动揭示恒星运动,这需要获取大量恒星的大量光谱,而恰恰是它极高的光谱获取率和并行可控的光前定位系统,使它能够完成监测任务。

名词解释

☆ 黑洞周围的物体会受到它强引力影响,发出X射线,可以借此观察到黑洞的存在。

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LAMOST发现黑洞的历程


黑洞非常小,自身不发光,而且距离我们十分遥远,所以科学家很难发现它们的存在。

目前,观测黑洞的方法主要有三种

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第一种:通过引力波实验聆听时空的涟漪推知双黑洞合并事件,但是这一方法只适用于稀少的双黑洞。

第二种:通过监测明亮伴星的运动推知黑洞的存在并测量黑洞质量,这一监测方法适用于明亮伴星和黑洞同时出现。这种方法在银河系中只探测到约20个恒星级黑洞,并且质量都小于20倍太阳质量。

第三种方法就是传统地利用黑洞吸盘X射线指引,但是只有极少数才能产生这样的辐射。而正是因为LAMOST研究团队他们突破传统方法的限制才使得他们能发现LB-1。

▲ 新闻发布会现场图

▲ 新闻发布会现场图

LB-1是一颗B型星,LAMOST通过对这颗恒星级黑洞光谱轮廓的精准检测与比对,研究人员计算出它的视向速度周期为78.9天,振幅为105公里每秒,表面有效温度为18100±820K,表面重力加速度为lg=3.43±0.15的B型亚巨星。

研究人员给出了LB-1的两个模型。

第一个模型是LB-1起源于原初双星,这一模型起源于他们对光学伴星的观测,表明它的金属丰度与太阳相似。但是,这无法形成特大质量黑洞。

第二个模型是LB-1的黑洞起源于贫金属恒星,通过动力学过程俘获伴星。但是,动力学过程形成的双星具有偏心轨道。

对LB-1来说,潮汐力导致的轨道圆化时标超过宇宙年龄。所以,目前还没有什么理论模型能符合LB-1。对于这一发现,研究人员给出了结论:现有的恒星演化理论是不完备的,或者存在未知的黑洞双星形成机制。

图片来源于新闻发布会现场

图片来源于新闻发布会现场

名词解释

 B型星:指年龄为28-48Myr,质量在7-9.1M⊙,恒星半径在7-11R⊙的星体。

 光谱恒星星光在不同波长下处的强度分布。

小点点
发现这颗恒星级黑洞的意义

LB-1恒星际黑洞表明现有的恒星演化理论是不完备的,或者存在未知的黑洞双星形成机制。这一发现颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,引起了人类对恒星级黑洞的新的思考,推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

从牛顿机械宇宙模型到爱因斯坦广义相对论的提出,再到引力波的成功探测、黑洞真实照片的拍摄……科技理论不断进步,人类也在不断地接近真理。

这次恒星级黑洞的发现无疑又是人类历史进程中的一个重要里程碑。

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