中國發(fā)現(xiàn)銀河系最大恒星級黑洞！顛覆認知登上Nature：68倍太陽質(zhì)量，自研郭守敬望遠鏡立大功
魚羊 賴可 乾明 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
銀河系中，竟然存在著68倍于太陽質(zhì)量的巨大恒星級黑洞。
這一中科院領(lǐng)銜的最新發(fā)現(xiàn)，顛覆了過往對恒星演化模型的認知。
要知道，此前，按照天文學家的推演，銀河系中單個恒星黑洞的質(zhì)量不超過太陽的20倍。
這是因為，銀河系中質(zhì)量非常大的恒星，隨著壽命的臨近，在坍縮成黑洞之前，會因為爆炸和強大的恒星風而失去大部分質(zhì)量。
留下太陽近70倍質(zhì)量的余量，完全超出了科學家們的想象。
△LB-1的藝術(shù)想象圖（喻京川繪）
論文一作，中國國家天文臺的劉繼峰研究員表示：
目前大多數(shù)恒星演化模型認為，在我們的銀河系中不應該存在如此質(zhì)量的黑洞。
這一電磁波波段最重恒星級黑洞的發(fā)現(xiàn)，還登上了最新一期的Nature。
發(fā)現(xiàn)了什么
這次，來自中國興隆觀測基地的LAMOST（郭守敬望遠鏡）立了大功。
2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計劃。
在用LAMOST對開普勒K2-0天區(qū)中的3000多個天體進行了為期兩年的徑向速度測量后，研究人員發(fā)現(xiàn)，有一顆B型星光譜攜帶了非常豐富的信息。
這顆距離地球1.5萬光年的B型星本身，質(zhì)量為8倍太陽質(zhì)量，繞轉(zhuǎn)周期為79天，其周期性運動和伴隨的Hα射線指出，在它的身邊，有一顆“看不見的天體”，很可能是一個黑洞。
研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡（GTC）的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測。
根據(jù)光譜信息分析后，驚人的結(jié)果出現(xiàn)了，那顆暗伴星，質(zhì)量為68個太陽質(zhì)量。
這只能是一個黑洞。并且，是目前銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的最重的恒星級黑洞。
根據(jù)論文一作劉繼峰的介紹，一般模型認為，大質(zhì)量的恒星級黑洞主要形成于低金屬豐度環(huán)境（低于1/5太陽金屬豐度），LB-1卻擁有一個與太陽金屬豐度相近（1.2倍太陽豐度）的B型星。
無論這顆恒星最初的質(zhì)量有多大，目前恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞。
這種質(zhì)量的黑洞甚至不應該存在于我們的星系中。
一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。
LB-1可能最初是一個三體系統(tǒng)，觀測到的B型星位于最外軌道，是質(zhì)量最小的組成部分，而現(xiàn)在的黑洞是由最初內(nèi)部的雙星形成的雙黑洞并合而成。
研究團隊猜想，LB-1的主星目前可能仍為兩個黑洞，它們彼此繞轉(zhuǎn)形成一個雙星，而觀測到的B型星是第三伴星。
△LB-1和引力波并合事件、X射線方法發(fā)現(xiàn)的黑洞的質(zhì)量分布
在此次黑洞發(fā)現(xiàn)過程中，LAMOST為這項研究進行了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。
LAMOST，即大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，是一新類型的大視場兼?zhèn)浯罂趶酵h鏡，建成于2008年，擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體，也是全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”：
今年3月份，其公開發(fā)布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目。
劉繼峰說，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(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。
為了紀念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級黑洞上做出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1。
顛覆恒星演化理論
黑洞是宇宙中已知的最致密天體，恒星黑洞則是大恒星演化的終極階段。
大恒星不停地發(fā)生核聚變，在燃料燃燒盡后發(fā)生引力坍塌。黑洞形成之前，會發(fā)生爆炸，并產(chǎn)生強大的恒星風，這會使質(zhì)量流失。
2007年，美國科學家發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量達到了22～34倍大的黑洞。這顆黑洞被命名為IC 10 X-1 X-ray
發(fā)現(xiàn)這顆黑洞的科學家，馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理學中心的安德里亞?普雷斯特維奇（Andrea Prestwich）說：“我們沒想到會發(fā)現(xiàn)這么大的恒星質(zhì)量黑洞。”
這顆黑洞由垂死的恒星形成，科學家推測，這似乎表示，垂死的恒星形成的黑洞比一般所想象的要大很多。
從2015年起，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）的引力波觀測實驗已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠高于先前已知的銀河系里的恒星級黑洞。
這些探測結(jié)果都在挑戰(zhàn)已有的對于恒星黑洞的理解，現(xiàn)有理論認為，質(zhì)量過于大的恒星最終會不會成為黑洞，而是會演化成超新星，而落在50到65太陽質(zhì)量的天體則會在一系列的演化過程中發(fā)射各種爆炸，不斷損失質(zhì)量，直到變得穩(wěn)定。
按照這一邏輯，不應該有50到130太陽質(zhì)量的黑洞。
這次發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞完全超出了這一理論的范疇。
佛羅利達大學的激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）主任戴維·雷茨（David Reitze）說：
這一發(fā)現(xiàn)迫使我們重新審視恒星級黑洞的形成模型。
接下來，利用LAMOST極高的觀測效率，天文學家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞，開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀元。
55位作者，中國占了大半
如此研究，并非只有中國研究人員參與，是基于LAMOST（中國興?。?、加納利大望遠鏡（西班牙加納利群島）、凱克望遠鏡（美國夏威夷）和錢德拉X射線天文臺（美國）的觀測數(shù)據(jù)完成的。
一共有55位作者，來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、意大利、波蘭和荷蘭7個國家29家單位。
來自中國的作者有40多位。研究的第一作者&通訊作者劉繼峰，是中國科學院國家天文臺首席研究員，銀河系三維結(jié)構(gòu)團組負責人。
他1991年進入北京大學讀書，就讀于天體物理學專業(yè)。1997年獲得碩士學位之后，前往密歇根大學進一步深造。
2005年獲天體物理學博士學位后，在哈佛大學做博士后及PI研究員，從事天體物理學研究，曾獲美國宇航局愛因斯坦學者獎等。
2010年回國，在中科院國家天文臺任職，主要研究興趣是黑洞等致密天體和恒星族的多波段觀測。
在這篇研究之外，分別在2013年、2015年以第一作者的身份發(fā)表了兩篇Nature。
并于2014年獲得國家杰出青年基金支持，2015年獲科技部“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”，2016年獲“全國優(yōu)秀科技工作者”。2015年參與籌建國科大天文學院，并作為副院長負責教學等工作。
目前，他正致力于使用我國的重大科學裝置LAMOST光譜巡天，結(jié)合海量多波段數(shù)據(jù)，利用云計算手段，試圖解答關(guān)于致密天體和恒星研究的一些基本問題。
另一位通訊作者張昊彤，也是來自于國家天文臺。
他1996年本科畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學物理系，之后在中國科學技術(shù)大學天體物理中心攻讀博士學位，并于2005年畢業(yè)。
之后便進入中國科學院國家天文臺工作，擔任副研究員。2014年升任為研究員。
主要的工作是領(lǐng)導的LAMOST科學巡天部，長期負責LAMOST的二維光纖光譜的處理、巡天計劃的制定，以及望遠鏡性能測試及提高。
引發(fā)熱議
你一定想不到，就在兩年前，還有五位天文學家打賭，將來會不會發(fā)現(xiàn)55到130太陽質(zhì)量的黑洞存在，兩個人認為有。
所以現(xiàn)在，另外三個科學家每個人就要輸?shù)魞善?00美元的葡萄酒了。
也有天文愛好者告訴量子位，這可能意味著宇宙中會有比預期更多的黑洞，同時也可能意味著會存在更多的黑洞合并事件。
同樣，也有人評價說，這也就意味著，宇宙最大的自然規(guī)則，可能就是沒有什么規(guī)則。
但毫無疑問，這一新發(fā)現(xiàn)顛覆了過往認知，可能會進一步改寫我們現(xiàn)有的教科書。
宇宙如此神奇，宇宙還如此未知。
你怎么看？
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Nature論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2
參考資料:
https://www.quantamagazine.org/possible-detection-of-a-black-hole-so-big-it-should-not-exist-20190828/
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