追逐茫茫宇宙中那個(gè)遙遠(yuǎn)神秘天體，數(shù)百年來無數(shù)科學(xué)家前赴后繼。11月28日凌晨，我國科學(xué)家宣布：依托我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”。這顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，有望推動(dòng)恒星演化和黑洞形成理論的革新——宇宙神秘面紗正一點(diǎn)點(diǎn)向世人揭開。

“事實(shí)有時(shí)候比小說更奇妙，黑洞最能真實(shí)地體現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙。”霍金在其最后的著作《十問》中這樣寫道。

經(jīng)過科學(xué)家們的不懈努力，11月28日凌晨，我國科學(xué)家宣布：依托我國自主研制的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST，成功“活捉”一“黑洞之王”——這顆在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的恒星級(jí)黑洞，大小為太陽質(zhì)量的70倍，距離我們約1.5萬光年。

恒星級(jí)黑洞中的這顆“小霸王”黑洞，其質(zhì)量超乎科學(xué)家們的想象。“這是一個(gè)非凡的發(fā)現(xiàn)，它將迫使天文學(xué)家改寫恒星級(jí)黑洞的形成模型。”專家們表示。

宇宙吸光器

1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)言了黑洞的存在。自此，人類就沒有停止過對(duì)這種神秘天體的想象和探索。2015年，首次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據(jù)。今年，天文學(xué)家歷時(shí)10年利用四大洲8個(gè)觀測(cè)點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺證據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。

黑洞到底是什么，為何一代代天文學(xué)家為之如此著迷?本身不發(fā)光，具有超強(qiáng)吸引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質(zhì)，就連速度最快的光也無法逃離——黑洞，是個(gè)名副其實(shí)的宇宙真空“吸光器”。不僅如此，它的密度出奇地大。有多大?把10倍于太陽質(zhì)量的恒星壓縮到直徑為北京六環(huán)大小的球體中，這樣的密度就相當(dāng)于黑洞的密度。

根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，天文學(xué)家將黑洞大致分為恒星級(jí)黑洞(100倍太陽質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100倍至10萬倍太陽質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬倍太陽質(zhì)量以上)。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

按照科學(xué)家們的認(rèn)知，一顆恒星演化到最后如果剩下的質(zhì)量太多，即大于3倍太陽質(zhì)量，則既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進(jìn)入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恒星在終極引力的作用下持續(xù)塌縮，最終形成致密的黑洞。

“球狀星團(tuán)和矮星系中心或許有中等質(zhì)量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質(zhì)量黑洞，比如銀河系中心就有一個(gè)約400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。”國家天文臺(tái)研究員劉繼峰說。

“捕捉”黑洞

神秘又有趣，若龍潛深淵隱藏爪牙，潛行于宇宙星海中?？珊诙幢旧聿话l(fā)光，天文學(xué)家如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢?

答案是間接觀測(cè)。劉繼峰介紹，觀測(cè)驗(yàn)證黑洞通常有兩種方法，一種是通過引力波實(shí)驗(yàn)聆聽時(shí)空的漣漪，進(jìn)而推知黑洞并合事件，但這僅適用于稀少的雙黑洞，即兩個(gè)星系碰撞合并后產(chǎn)生的兩個(gè)相互繞轉(zhuǎn)的黑洞。還有一種方法是通過監(jiān)測(cè)明亮伴星的運(yùn)動(dòng)推知黑洞存在，并測(cè)量黑洞質(zhì)量。過去50年里，人們用該種方法發(fā)現(xiàn)了約20顆黑洞，質(zhì)量均在3倍到20倍太陽質(zhì)量之間。

原來，黑洞雖然不發(fā)光，不過它們身邊的小伙伴們實(shí)在是太高調(diào)，周邊的吸積盤或者伴星都表現(xiàn)出異樣的“氣場(chǎng)”：如果黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)距離較近的雙星系統(tǒng)，黑洞就會(huì)露出猙獰的爪牙，以強(qiáng)大的“胃口”直接把這顆伴星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線光。這些X射線光如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，而就是這一“照”，成為天文學(xué)家這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級(jí)黑洞均通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識(shí)別的。

按照理論預(yù)測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級(jí)黑洞，不過在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的僅占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)時(shí)，我們的“大胃王”也會(huì)表現(xiàn)出平靜溫和的一面。

既然如此，對(duì)于這些平靜態(tài)，即不吸積伴星氣體的黑洞，該如何搜尋呢?天文學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過程中給出了全新答案。

LAMOST再立功

這顆距離地球1.5萬光年之外的恒星級(jí)“黑洞之王”，其發(fā)現(xiàn)與一個(gè)默默奉獻(xiàn)的“大功臣”——LAMOST，密不可分。“如果利用一架普通4米口徑望遠(yuǎn)鏡來尋找這樣一顆黑洞，相同幾率下，則需要40年時(shí)間，這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率。”劉繼峰表示。

他說，早在上世紀(jì)六七十年代，人類就已經(jīng)調(diào)動(dòng)了大量觀測(cè)資源來發(fā)現(xiàn)黑洞，但由于設(shè)備靈敏度以及海量數(shù)據(jù)處理的難題，最終收效甚微。迫于現(xiàn)實(shí)，科學(xué)家們想到了利用X射線來識(shí)別黑洞的方法，但也困難重重。

怎么辦?找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。關(guān)鍵時(shí)刻，我國自主研制的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST派上用場(chǎng)。

我們知道，黑洞是由大質(zhì)量的恒星死亡后發(fā)生引力塌縮形成的。“研究天體，科學(xué)家們常常有3個(gè)觀測(cè)維度：明暗、顏色、位置。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)高級(jí)工程師白仲瑞介紹，這其中，顏色是科學(xué)家們常常使用的觀測(cè)依據(jù)，而顏色又會(huì)在光譜特征上有所表現(xiàn)。“換句話說，光譜就像天體的‘條形碼’。”白仲瑞解釋。

而收集這些巨量“條形碼”恰恰是“光譜之王”——LAMOST所擅長的。白仲瑞說，LAMOST擁有4000顆眼睛(4000根光纖)，一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST公開發(fā)布了1125萬條光譜，被天文學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

“工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST這臺(tái)“天文利器”，助力天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了今天的主角“黑洞之王”。

2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研究員和云南天文臺(tái)韓占文院士提出利用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計(jì)劃，并選擇了開普勒一個(gè)天區(qū)中的3000多顆恒星開展了為期兩年的光譜監(jiān)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)(LB-1)中，一顆8倍太陽質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個(gè)“看不見的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)，這個(gè)“看不見的天體”還表現(xiàn)不同尋常的光譜特征。

這顆B型星背后一定有故事，它到底在繞著看不見的“誰”在運(yùn)動(dòng)?莫非真的是黑洞!天文學(xué)家在追逐宇宙真相的道路上從來不會(huì)輕易放過任何一種可能。短暫的激動(dòng)興奮過后，研究人員隨即申請(qǐng)了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國10米口徑凱克望遠(yuǎn)鏡協(xié)助觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的光譜性質(zhì)。

根據(jù)光譜信息，研究人員計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質(zhì)量約為8倍太陽質(zhì)量，年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年。“再輔以其他證據(jù)，研究人員計(jì)算出該雙星系統(tǒng)中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。”劉繼峰稱。

顛覆傳統(tǒng)認(rèn)知

故事至此還沒有結(jié)束。

根據(jù)目前的恒星演化模型，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，因此，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。換句話說，銀河系中單個(gè)恒星黑洞的質(zhì)量不應(yīng)該超過太陽的20倍。而LAMOST的發(fā)現(xiàn)，可能意味著有關(guān)恒星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機(jī)制被忽視。

事實(shí)究竟是怎樣的?答案是：繼續(xù)觀測(cè)并驗(yàn)證。“在接下來的長達(dá)兩年之久的監(jiān)測(cè)時(shí)間里，LAMOST共為這項(xiàng)研究做了26次觀測(cè)，累積曝光時(shí)間約40個(gè)小時(shí)。”劉繼峰說。

時(shí)光不負(fù)情深。最終的結(jié)果成就了LAMOST的這段佳話。為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上作出的貢獻(xiàn)，天文學(xué)家給這個(gè)包含黑洞的雙星系統(tǒng)命名為LB-1。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞與它的伴星相距較遠(yuǎn)，有1.5倍日地距離。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)其伴星吸積非常微弱，是一個(gè)“平靜溫和”的恒星級(jí)黑洞“冠軍”。

這一發(fā)現(xiàn)有何意義?美國激光干涉引力波天文臺(tái)LIGO從2015年起，通過探測(cè)引力波的方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)十倍太陽質(zhì)量的黑洞;2017年，雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探測(cè)方面的貢獻(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

劉繼峰說，LB-1是一個(gè)X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)，利用常規(guī)X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。長期以來，人們認(rèn)為徑向速度監(jiān)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)平靜態(tài)的黑洞雙星，這顆迄今最大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了這一點(diǎn)。利用LAMOST大規(guī)模巡天優(yōu)勢(shì)和速度監(jiān)測(cè)方法，相信天文學(xué)家將會(huì)發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的平靜態(tài)黑洞，從而逐步揭開這個(gè)黑暗“家族”的內(nèi)幕，為研究黑洞成員的形成演化以及質(zhì)量分布邁出標(biāo)志性的一步。

“接下來，利用LAMOST極高的觀測(cè)效率，天文學(xué)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(jì)元。”劉繼峰表示。