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天文學家利用LAMOST發現迄今最大的恒星級黑洞

  

    北京时间20191128日凌晨,国际科学期刊《自然》发布了中國科學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礎設施郭守敬望远镜(LAMOST),研究團隊發現了一顆迄今爲止質量最大的恒星級黑洞,並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。 

  1  LB-1的艺术想象圖 (喻京川繪) 

  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,黑洞一般分爲恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。這其中,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”。理論預言銀河系中有上億恒星級黑洞,迄今爲止,天文學家僅在銀河系發現了約20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。 

  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。 

  2016年秋季開始,國家天文台領導的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究,曆時兩年監測了一個小天區內3000多顆恒星。結果發現,在一個X射線輻射甯靜的雙星系統(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,那个“看不见的天体”极有可能是一顆黑洞。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。值得一提的是,在兩年之久的監測時間裏,LAMOST共爲這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約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顆黑洞,同样的几率下,则需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。 

    2  LB-1和引力波並合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布 

  目前恒星演化理論預言在太陽金屬豐度下只能形成最大爲25倍太陽質量的黑洞。这顆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)從2015年起,通过探测引力波的方法发现了数十倍太陽质量的黑洞;2017年,雷納·韋斯、基普·索恩和巴裏·巴裏什因在LIGO的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。LIGO台長大衛·雷茨評論,在銀河系內發現70倍太陽质量的黑洞,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)及歐洲室女座引力波天文台(Virgo)探測到的雙黑洞並合事件一起,推動黑洞天體物理研究的複興接下來,利用LAMOST極高的觀測效率,天文學家有望發現一大批深藏不露的黑洞,開創批量發現黑洞的新紀元。 

   這項工作是基于LAMOST(中國興隆)、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射線天文台(美國)的觀測數據完成的。本研究共包括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28家單位。  

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