發現迄今最大黑洞 有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新

圖為LB-1的藝術想象圖（喻京川繪) 國家天文臺供圖

新華網北京11月28日電（王瑩）記者從中國科學院國家天文臺獲悉，依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞，這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。成果于北京時間11月28日凌晨，在國際科學期刊《自然》上發表。

黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質，包括光也無法從它身邊逃離。根據質量的不同，黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。其中，恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

在28日舉行的新聞發布會上，論文第一作者、劉繼峰研究員介紹，理論預言銀河系中有上億顆恒星級黑洞，但迄今為止，天文學家僅在銀河系發現了約20顆恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的、質量均小于20倍太陽質量的黑洞。“在這樣的背景下，找到新的方法，發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學界近年來研究的熱點和難點。”

記者了解到，從2016年秋季開始，國家天文臺領銜的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時兩年監測了銀河系一個小天區內3000多顆恒星。

結果發現，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統（LB-1）中，一顆8倍太陽質量的藍色恒星，圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動。不同尋常的光譜特征表明，那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進行了“確認”：他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡，進一步確認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。

圖為LB-1和引力波并合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布 國家天文臺供圖

“這樣的結果讓當時的我們不敢相信”，據劉繼峰介紹，一般模型認為，大質量恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度（低于1/5太陽金屬豐度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的B型星。目前恒星演化理論預言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞，此次發現70倍于太陽質量的黑洞，顯然已經突破了現有恒星演化理論。

對此，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）臺長大衛·雷茨評論，“在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）探測到的雙黑洞并合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興”。

圖為LAMOST望遠鏡與星空   國家天文臺供圖

值得關注的是，此次研究成果的獲得，LAMOST功不可沒。據國家天文臺高級工程師白仲瑞介紹，LAMOST擁有4000顆“眼睛”（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

在歷時兩年的監測里，LAMOST共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示，如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。“這顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，是LAMOST發現的第一顆黑洞。接下來，利用LAMOST極高的觀測效率，天文學家有望發現更多‘深藏不露’的黑洞。”