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    中国发现“黑洞之王”!

    2019-11-28 14:55:02 来源:经济日报 已入驻财经号 作者:沈慧
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      原标题:中国发现“黑洞之王”!

      “事实有时候比小说更奇妙,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。霍金在其最后的著作《十问》中这样写道。

      今天凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现:

      依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞,并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。

      该黑洞的质量大约是太阳的70倍。这项发现有何意义?

      它的发现突破了目前有关理论预言的质量上限

      颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知

      有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新……

      宇宙吸光器

      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精确解,预言了黑洞的存在。

      自此,人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。

      2015年,首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据,2019年,天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”,让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。

      黑洞到底是什么,为何一代代天文学家为之如此着迷?

      本身不发光,具有超强吸引力,任何从其身边经过的物质,就连速度最快的光也无法逃离,黑洞,是个名副其实的宇宙真空“吸光器”。

      不仅如此,它的密度也是出奇地大。有多大?把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度。

      LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布

      根据黑洞质量的不同,天文学家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(100-10万倍太阳质量)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死亡形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。

      一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多(大于3倍太阳质量),多到既不能形成白矮星,也不能成为中子星,一旦进入死亡阶段,就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

      神秘又有趣,若龙潜深渊隐藏爪牙,潜行于宇宙星海中。黑洞本身不发光,天文学家又如何在茫茫宇宙中寻找到它们呢?

      奈何它们身边的小伙伴们实在是太高调,周边吸积盘或者伴星都表现出异样的“气场”。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,以强大的“胃口”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线光。

      这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,就是这一“照”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。

      “捕捉”黑洞

      理想很丰满,现实很骨感。

      理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞,但迄今为止,天文学家仅在银河系发现了约20颗恒星级黑洞——而且都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的、质量均小于20倍太阳质量的黑洞。

      找到新的方法,发现数量巨大、没有X射线辐射的黑洞,成了天文学界近年来研究的热点和难点。

      2016年秋季开始,国家天文台领导的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究,历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。

      结果发现,在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗8倍太阳质量的蓝色恒星,围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明,那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。

      研究人员随即进行了“确认”:他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜,进一步确认了LB-1的光谱性质,计算出该黑洞的质量大约是太阳的70倍。

      值得一提的是,在两年之久的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。

      刘继峰表示,如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

      颠覆认知

      这项发现有何意义?

      目前恒星演化理论预言在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。

      这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

      美国激光干涉引力波天文台(LIGO)从2015年起,通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞;

      2017年,雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。

      LIGO台长大卫·雷茨评论,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)探测到的双黑洞并合事件一起,推动黑洞天体物理研究的复兴”。

      接下来,利用LAMOST极高的观测效率,天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞,开创批量发现黑洞的新纪元。

      这项工作是基于LAMOST(中国兴隆)、加纳利大望远镜(西班牙加纳利群岛)、凯克望远镜(美国夏威夷)和钱德拉X射线天文台(美国)的观测数据完成的。本研究共包括55位作者,来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家28家单位。

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