黑洞捕手计划上线!LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞

黑洞捕手计划上线!LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞
出品:新浪科技《科学咱们》 撰文: 王松,我国科学院国家地理台助理研讨员,首要从事黑洞双星和恒星活动性的研讨 李双,我国科学院国家地理台工程师,LAMOST运转和展开中心宣扬主管 陆由俊,我国科学院国家地理台研讨员、我国科学院大学岗位教授,研讨方向为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理和星系世界学 刘继峰,我国科学院国家地理台副台长、研讨员,我国科学院大学地理与空间科学学院常务副院长。研讨方向包括细密双星,恒星活动性等 2019年11月28日,世界顶尖科学期刊《天然》在线发布了我国地理学家主导的一项严重发现。我国科学院国家地理台刘继峰、张昊彤研讨员领导的研讨团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限,推翻了人们对恒星级黑洞构成的认知,必然推进恒星演化和黑洞构成理论的改造。 一、世界吸光器 霍金在其终究的作品《十问》中写道,“现实有时分比小说更美妙,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家幻想的任何东西都更美妙”。 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一个准确解,预示了黑洞的存在。自此人类就没有中止过对这种奥秘天体的幻想和探究。 1965年,天鹅座X-1因其强X射线辐射成为榜首颗被发现的黑洞侯选体;2015年,初次探测到的引力波为黑洞的存在供给了更为详细的依据;2019年,地理学家历时10年使用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉依据——首张黑洞“芳容”,让这个从前“看不见摸不着”的怪异天体有了一丝亲和力。黑洞究竟是什么,为何让一代代地理学家为之如此入神?自身不发光,密度十分大(把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环巨细的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度),具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离,这种奇特的天体便是黑洞。因而能够说,黑洞是当之无愧的世界真空“吸光器”。 地理学家依据黑洞质量的不同,将黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是由大质量恒星逝世构成的,是世界中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到终究假如剩余的质量太多(大于3倍太阳质量),多到既不能构成白矮星,也不能成为中子星,一旦进入逝世阶段,就没有任何力气能够阻挠这颗恒星在终极引力的效果下持续塌缩,终究构成细密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞,而在星系的中心存在着超大质量黑洞,比方银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。 二、怎么观测恒星级黑洞 黑洞奥秘而又风趣,若龙潜深渊,躲藏喽啰,潜行于世界星海中。假如黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星体系,黑洞就会显露狰狞的喽啰,以强壮的“食欲”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来,构成吸积盘,宣布亮堂的X射线光(图一)。这些X射线光好像这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,便是这一“照”成为地理学家曩昔这些年寻觅黑洞踪影的强有力头绪。然后,地理学家会经过监测伴星的运动,丈量黑洞的质量,这适用于亮堂伴星的黑洞体系。另一种方法是关于稀疏的双黑洞,科学家首要经过引力波试验倾听时空的涟漪,然后推知黑洞并合事情。 迄今为止,银河系中简直一切的恒星级黑洞都是经过黑洞吸积伴星气体所宣布的X射线来辨认的。曩昔的五十年里,人们用该种方法发现了约二十颗黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。 银河内有数以千亿计的恒星,依照理论猜测,银河系中应该有上亿颗大质量逝世构成的恒星级黑洞,而在黑洞双星体系中,能够宣布X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星间隔较远时,咱们的“大胃王”也会体现出安静温文的一面,那关于这些安静态(不吸积伴星气体)的黑洞怎么来搜索呢?地理学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术幻想图(来自网络) 三、捕捉“深藏不露”的黑洞 国家地理台领导的研讨团队在众多星海中发现了一个体现反常的双星体系,这其间会不会包括一颗深藏不露的黑洞?700多天的追逐之路饱含了艰苦和精彩。 2016年头,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研讨员和云南地理台韩占文院士提出使用LAMOST观测双星光谱,展开双星体系的研讨方案,并挑选了开普勒一个天区(K2-0)中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其间有一颗“走路拉风”的B型星引起了研讨人员的重视,这颗星体现出规则地周期性运动和不同寻常的光谱特征。 这条LAMOST“眼中”的B型星光谱携带了十分丰富的信息,除了能够获取它的有用温度、外表重力、金属丰度等重要信息外,光谱中一条近乎停止且运转方向和B型星反相位的明线(Hα发射线)给这颗星增添了满足的奥秘感。研讨人员置疑这颗B型星背面一定有故事,它究竟在绕着看不见的“谁”运动?难道真的是黑洞!地理学家在追逐世界本相的道路上历来都不会容易放过任何一种或许。 为了进一步验证这颗特别B型星背面的本相,研讨人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜(GTC)的21次观测和美国10米凯克望远镜(Keck)的7次高分辨率观测,进一步确认了B型星的性质。图二 LB-1体系中B型星和黑洞的运动规则和速度曲线 依据光谱信息,研讨人员计算出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,年纪约为35百万年。依据B型星和Hα发射线的速度振幅之比,研讨人员计算出该双星体系中存在一个质量约为70倍太阳质量的不行见天体,它只能是黑洞。B型星背面的“大BOSS”就这样被地理学家挖了出来,这样的效果无疑是让人们振奋和惊喜的,但是机会永远都是留给有预备的人,没有两年前苍茫星海的“撒网”,也便没有今日这个“主角”的呈现。 为了留念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的奉献,地理学家给这个包括黑洞的双星体系命名为LB-1(图三)。与其他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,这颗黑洞和它的伴星相距较远(1.5倍日地间隔)。研讨人员用美国钱德拉X射线地理台对该源进行观测,发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积十分弱小,是一个“安静温文”的恒星级黑洞 “冠军”。图三 LB-1的艺术幻想图(喻京川绘) LB-1是一个X射线辐射安静的双星体系,使用惯例X射线方法搜索这类黑洞是行不通的。长期以来,人们以为径向速度监测能够发现安静态的黑洞双星,这颗迄今最大质量黑洞的发现证明了这一点。 四、黑洞“冠军”的宿世此生 从2015年起,美国激光干与引力波地理台(LIGO)及欧洲室女座引力波地理台(Virgo)的引力波观测试验现已发现了几十倍太阳质量的黑洞,质量远高于从前已知的银河系里的恒星级黑洞。 此次研讨人员发现的这颗70倍太阳质量的超级黑洞不只提醒了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞,一同改写了人类关于恒星级黑洞质量上限的认知(图四)。 该论文榜首作者刘继峰研讨员介绍说,一般模型以为大质量恒星级黑洞首要构成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度附近的B型星。现在恒星演化理论预言在太阳金属丰度下只能构成最大为25倍太阳质量的黑洞,因而,LB-1中黑洞的质量现已打破了现有恒星演化理论的“禁区”。这或许意味着有关恒星演化构成黑洞的理论将被逼改写,或许曾经某种黑洞构成机制被忽视。LIGO台长大卫。雷茨评论说,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使地理学家改写恒星级质量黑洞的构成模型。这一特别的效果,将与曩昔四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事情一同,推进黑洞天体物理研讨的复兴”。图四 LB-1和引力波并合事情、X射线方法发现的黑洞的质量散布 另一种或许性,LB-1中的黑洞或许不是由一颗恒星坍缩构成的。研讨人员猜测,LB-1开端是一个三体体系,观测到的B型星坐落最外轨迹,是质量最小的组成部分,而现在的黑洞是由开端内部的双星构成的双黑洞并合而成。在这种景象下,该体系将是黑洞并合事情的绝佳候选体,并为研讨三体体系中双黑洞构成供给了绝无仅有的试验室。 五、 “光谱之王”和“黑洞之王”的互相成果 这颗 “黑洞之王”的发现充沛证明了LAMOST望远镜强壮的光谱获取才能。LAMOST具有4000颗眼睛(4000根光纤),一次能观测近4000个天体。2019年3月,LAMOST揭露发布了1125万条光谱,成为全球首个打破千万的光谱巡天项目,被地理学家称为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”(图五)。 先进设备促生新发现,本次研讨中,我国自主研发的LAMOST起了不行代替的效果。从2016年11月开端,为了发现和研讨光谱双星,研讨人员使用LAMOST对开普勒一个天区的3000多颗恒星历时两年进行了26次观测,累计曝光时刻约40小时。假如使用一架一般四米望远镜专门来寻觅这样一颗黑洞(一年观测365天,每天观测8小时),相同的几率下,则需求40年的时刻!这充沛体现出LAMOST超高的观测功率!图五 LAMOST望远镜与星空(国家地理台供图) “工欲善其事必先利其器”,LAMOST这台“地理利器”助力地理学家发现了今日的主角“黑洞之王”,而“黑洞之王”的现身也为“光谱之王”——LAMOST增添了更多精彩。 这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,也是LAMOST发现的榜首颗黑洞,它的呈现将标志着使用LAMOST巡天优势搜索黑洞新时代的到来。信任“光谱之王”和“黑洞之王”的互相成果将成为地理界津津有味的一段美谈。 六、黑洞捕手方案 LAMOST是我国科学家自主立异研发的一架自动反射施密特地理望远镜。它使用自动光学技能,完成了在观测中镜面曲面接连改变、不同瞬间是不同的施密特光学体系,打破了地理望远镜大口径与大视场难以兼得的瓶颈,是世界上口径最大的大视场望远镜。 2019年3月,郭守敬望远镜巡天七年对外发布光谱1125万条,是世界上其它巡天项目发布光谱数之和的2倍。在银河系大规模光谱巡天方面,LAMOST初次完成了天区掩盖、巡天体积、采样密度及计算齐备性等方面的严重打破,填补了我国大型地理根底数据的空白,为展开银河系特别是银盘的体系研讨供给了极好的、具有传承价值的样本。 接下来,该研讨团队将展开黑洞猎手方案:凭借LAMOST持续观测其他四个天区,使用视向速度监测和天测数据结合的方法,估计五年内批量发现近百个黑洞,并丈量出它们的质量,然后逐渐揭开这个漆黑“宗族”的内情,为研讨黑洞成员的构成演化以及质量散布迈出标志性的一步,创始批量发现黑洞的新纪元。 问:LB-1为什么叫“黑洞之王”? 答:咱们这次发现的黑洞有70个太阳质量,现已超过了现有理论所答应的最大质量的上限两倍有余。所以咱们称它为“黑洞之王”。 问:它是世界中最大的黑洞吗? 答:黑洞有两类,一类是星系中心的超大质量黑洞;一类是恒星逝世构成的恒星级黑洞,这个黑洞是恒星级黑洞中最大的。 问:最小的黑洞有多小? 答:在世界构成的前期有一些原初的黑洞,这些黑洞能够十分小,小到一个原子巨细。不过它们存在的时刻也十分短,今日现已看不到了。 问:新发现的“黑洞之王”离咱们有多远? 答:咱们新发现的这个黑洞在银河系反银心的方向,离咱们差不多是有14000光年的当地。 问:地理学家曩昔怎么寻觅黑洞? 答:一种是经过引力波探测器来倾听双黑洞并合驱动的时空震颤来倒推黑洞。别的一种是经过调查黑洞伴星的运动来倒推黑洞的存在。 问:LAMOST是怎样找黑洞的? 答:要想在几千个亮堂的天体里边找到一个黑洞的话,你需求把这些天体看个遍,那咱们LAMOST就有这个特别的本事,能一次性的看几千个天体。咱们在这些数以千计的天体里边发现了这个黑洞。 问:黑洞是只进不出吗? 答:一般咱们会以为黑洞是大胃王,首要是是吞噬物质,但实际上,黑洞还有霍金辐射,霍金辐射能够把黑洞里的物质带走,形成黑洞物质的丢失。 问:黑洞寿数多久,会逝世吗? 答:黑洞的质量是有丢失的。原初的那些小黑洞,到现在现已根本蒸腾殆尽了,与世长辞了。当然,咱们今日发现的这个黑洞,还有那些超大质量的黑洞,它们的寿数要比世界的寿数长得多。 问:黑洞会把世界吞噬掉吗? 答:咱们说黑洞的强引力场,实际上是指只要在它离得近的时分才强,当离的远的时分,它其实跟一个一般的恒星,并没有什么太大差异,所以从这个意义上说,咱们不必忧虑,黑洞是不会把世界吞噬进去的。 问:咱们会为“黑洞之王”拍相片吗? 答:咱们这次发现的黑洞是恒星级的黑洞,质量十分小,它的视界也十分小,比较于前一阵做过相片的超大质量、M87黑洞,它的视界要小的多的多,咱们现在的技能还没有方法给它拍相片。假如非要做一个,跟咱们此前看到的黑洞相片比较,连一个点儿都算不上,要小得多的多。(回答者:刘继峰 我国科学院国家地理台副台长、研讨员,我国科学院大学地理与空间科学学院常务副院长) 引荐 《科学咱们》栏目精彩文章汇总 《科学咱们》专栏投稿邮箱:sciencetougao@sina.com 来稿请注明名字、单位、职务