如果質量超過理論上限它揭示了黑洞的另一種存在方式

                • 2019-12-03 17:03
                • 科技日報

                最近,頂級國際科學雜志《自然》在網上發布了一項重大發現。中國科學院國家天文臺的劉繼峰和張郝彤研究小組發現了迄今為止質量最大的恒星黑洞,并利用郭守敬望遠鏡的天空探測優勢提供了一種尋找黑洞的新方法。

                這個質量是太陽質量70倍的超大質量恒星黑洞,遠遠超出理論預測極限,顛覆了人們對恒星黑洞形成的理解,必將推動恒星演化和黑洞形成理論的創新。

                在過去,只能找到“暴力”黑洞。

                霍金在他的最后一本書《十問》中寫道,“黑洞比科幻作家想象的任何東西都要奇妙?!焙诙幢旧聿话l光,密度非常高,這相當于把一顆太陽質量10倍的恒星壓縮成一個北京六環大小的球體。它具有極強的吸引力,任何經過它的物質,即使是光,也無法逃脫。黑洞是宇宙的“光吸收器”。

                黑洞大致可分為恒星黑洞(低于太陽質量的100倍)、中等質量黑洞(約為太陽質量的100至100,000倍)和超大質量黑洞(高于太陽質量的100,000倍)。恒星黑洞是由大質量恒星的死亡形成的。當一顆恒星到達其生命終點時,如果剩余質量是太陽質量的3倍以上,它既不能形成白矮星,也不能形成中子星,并且沒有力量阻止最終重力塌縮成黑洞。

                龍千深淵,隱藏的爪子。黑洞本身不發光,所以天文學家很難在廣闊的宇宙中看到它。

                但是黑洞周圍的小朋友聲音太高,他們周圍的吸積盤或伴星都顯示出奇怪的“光環”。如果黑洞和正常恒星形成一個封閉的雙星系統,黑洞將暴露出它兇猛的爪子,直接從恒星伴星吸取氣態物質,形成吸積盤,發射“明亮”的x光。這些x光就像黑洞吞噬這些物質之前的“閃回”,這是天文學家在過去幾年追蹤黑洞的線索。

                到目前為止,銀河系中幾乎所有已知的恒星黑洞都是由黑洞吸積伴星氣體發出的x光識別的。在過去的50年里,人們發現了大約20個質量在太陽質量3到20倍之間的黑洞。銀河系中有數千億顆恒星。根據理論預測,銀河系中應該有數億個恒星級黑洞。然而,在黑洞雙星系統中,只有一小部分能發射x光輻射。

                兩年的監測發現天體

                劉繼峰和張郝彤的團隊在浩瀚的星海中發現了一個異常的雙星系統。700天的追逐充滿了艱辛和精彩。

                2016年初,LAMOST科學巡邏部主任張郝彤和中國科學院云南天文臺成員韓聞戰提出用LAMOST觀測雙星光譜,并選擇了3000多個天體進行為期兩年的光譜監測。其中,b型星“走拉風”吸引了研究者的注意。

                除了獲得有效溫度、表面重力和金屬豐度等重要信息外,光譜中一條幾乎靜止的亮線(Hα發射線)及其運行方向和B型恒星的相反相位給這個天體增添了全部神秘。研究人員懷疑在這顆B型星背后有人。

                21西班牙10.4米加那利望遠鏡(GTC)的觀測和美國10米凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測進一步證實了乙類恒星的性質。

                B型恒星的金屬豐度約為太陽豐度的1.2倍,質量約為太陽質量的8倍,年齡約為3500萬年,距離我們14000光年。根據B型恒星和Hα發射線的速度和振幅之比,它的伴星應該是一個不可見的天體,質量大約是太陽質量的70倍。它只能是一個黑洞。

                LB-1黑洞從未在任何x射線觀測中被探測到。研究人員用美國錢德拉X射線天文臺觀察到了這個源頭,發現新發現的黑洞與其伴星的吸積非常微弱,是一個“平靜溫和”的恒星黑洞“冠軍”。

                特殊金屬豐度指向理論上的“禁區”

                自2015年以來,引力波觀測到

                恒星有一個叫做金屬豐度的屬性,它指的是恒星中非氫元素和氦元素的比率。論文的第一作者劉繼峰說,一般模型認為大質量恒星黑洞主要形成于金屬豐度低(少于太陽金屬豐度的1/5)的環境中,而LB-1有一顆金屬豐度與太陽相似的B型恒星。目前,恒星演化模型只允許在太陽金屬豐度下形成質量高達太陽25倍的黑洞。因此,LB-1中的黑洞質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。

                現有的理論認為恒星在形成黑洞之前會吹出恒星風來失去物質,所以恒星黑洞并不特別重。宇宙中最重的恒星只有幾百個太陽質量,理論預測在其演化后期形成的黑洞最大質量超過20個太陽質量。以前發現的黑洞都沒有超過這個數量級。

                LB-1的發現可能意味著恒星演化形成黑洞的理論將被改寫,或者某種黑洞形成機制以前被忽略了。

                另一種可能性是LB-1中的黑洞可能不是由恒星的坍縮形成的。研究人員懷疑LB-1最初是一個三體系統。觀測到的B型恒星位于最外層軌道,是質量最小的組成部分。然而,當前的黑洞是由原始內部雙星形成的兩個黑洞合并而成的。在這種情況下,該系統將是黑洞合并事件的優秀候選,并為研究三體系統中雙黑洞的形成提供了一個獨特的實驗室。

                “光譜之王”和“黑洞之王”已經實現了彼此。

                天文學家命名這個包含黑洞LB-1的雙星系統,以紀念LAMOST對發現這個巨大恒星黑洞的貢獻。

                這個“黑洞之王”的發現充分證實了LAMOST望遠鏡強大的光譜采集能力。LAMOST有4000只“眼睛”(4000根光纖),一次可以觀察近4000個天體。

                2019年3月,LAMOST公開發布了1125萬個光譜,成為世界上第一個突破1000萬的光譜調查項目。天文學家稱贊LAMOST是世界上光譜采集率最高的“光譜之王”。

                從2016年11月開始,為了發現和研究光譜二進制,研究人員使用LAMOST在兩年內觀測了3000多顆恒星26次,累積曝光時間約為40小時。如果一個普通的4米望遠鏡被用來尋找這樣一個黑洞(一年365天,一天8小時),同樣的概率,它將需要40年!這充分體現了LAMOST超高的觀察效率!

                “如果一個工人想做好工作,他必須首先使用他的工具”。這個迄今為止質量最大的恒星黑洞標志著利用LAMOST的天體優勢尋找黑洞的新時代的到來。

                我相信“光譜之王”和“黑洞之王”的共同成就將成為天文學上的一個好故事。

                LB-1是一個具有安靜x光輻射的二元系統。用傳統的x光方法尋找這樣的黑洞是不可行的。長期以來,人們一直認為徑向速度監測可以找到一顆平坦而靜止的黑洞雙星,這一點被迄今為止質量最大的黑洞的發現所證實。利用LAMOST在大規模天空勘測和速度監測方法上的優勢,我相信天文學家會發現一批隱藏的扁平靜態黑洞,從而逐漸揭開這個“黑暗家族”的內幕,并為研究黑洞成員的形成和演化及其質量分布邁出了里程碑式的一步。正如LIGO導演大衛·雷評論的那樣,LB-1的發現將促進黑洞天體物理學研究的復興。

                頭條推薦
                圖文推薦
                亚洲人成网线在线播放午夜