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星海茫茫,捕捉“黑洞之王”

手工SEO 2019-12-03 12:54:32 SEO教程 142℃ 手工SEO

  恒星级黑洞由大质量恒星死亡形成,根据理论推算,上亿个恒星量级的黑洞“潜行”于茫茫星海中,想要找到它们却并不容易。

  我国天文学家利用郭守敬望远镜,通过长时间、大范围的监测,发现迄今为止最大质量的恒星级黑洞,约为70倍太阳质量。这一发现,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新,也开辟了利用郭守敬望远镜巡天优势搜寻黑洞的新路径。

  

  近日,国际期刊《自然》在线发布了中国天文学家主导的一项重大成果:中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队利用郭守敬望远镜(LAMOST)发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞。这是继今年4月,黑洞首次展露“真颜”后,又一相关重大发现。

  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,颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知,堪称“黑洞之王”,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

  上亿黑洞“深藏不露”,寻找它们是难点

  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它的想象和探索。

  神秘的黑洞是怎样形成的?像宇宙万物一样,恒星也会衰老死亡。一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时,内核会急剧坍缩,当其质量大于约3倍太阳质量时,便会坍缩为一个奇点,成为黑洞。由于其密度极高、引力超强,即便是光也无法从它身边逃离。

  按照其质量不同,天文学家将黑洞大致分为三类: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)。

  刘继峰说:“恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,在宇宙中广泛存在。根据理论推算,银河系中应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。”

  然而,想要在茫茫宇宙中寻找到它们却并不容易。因为黑洞自身不发射和反射电磁波,仪器和肉眼都无法直接观测到它。

  该怎么办?天文学家们尝试寻找各种间接证据,经过探索研究,发现了一个现象:黑洞会“吃东西”。它在接近一颗恒星组成双星系统时,会以强大的“胃口”直接把对方的气体物质吸过来,形成吸积盘,并发射出明亮的X射线光。通过探测这些X射线光,可以判断并选出黑洞候选体,再通过进一步监测伴星的运动,可以测量黑洞的质量并最终确认其存在。

  刘继峰介绍说,过去的50年里,天文学家通过这种方法发现了约20颗黑洞,质量均在3到20倍太阳质量之间。

  但是,按照理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,而在黑洞双星系统中,能够发出X射线的只占一小部分。那么,“沉默”的大多数该如何被寻找到呢?于是,找到新方法,去发现数量巨大且没有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。

  超大质量黑洞,超出模型理论上限

  2016年秋,国家天文台领导的研究团队利用郭守敬望远镜开展双星课题研究,历时两年监测了开普勒一个天区(K2—0)内的3000多颗恒星。

  在监测过程中,有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注:这颗8倍太阳质量的蓝色恒星,一直在围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。

  团队成员、中国科学院大学研究生郑传杰说:“它的光谱携带了非常丰富的信息,除了可以获取它的有效温度、表面重力、金属丰度等重要信息外,光谱中还有一条近乎静止且运行方向和B型星反相位的发射线,这点很不寻常。”

  通过各种迹象,研究人员推测,那个被B型星围绕的“看不见的天体”极有可能是一个黑洞。

  “根据多个望远镜的多次观测,我们进一步确认了B型星的性质。根据光谱信息,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,年龄约为35百万年,距离我们1.4万光年。”郑传杰说:“接着,根据B型星和其光谱中那条‘特殊’发射线的速度振幅之比,计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体。质量如此之大的,只能是黑洞。”

  据刘继峰回忆,最初得到结果时,所有人都不敢相信。因为,目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞,这颗新发现的黑洞质量已经超出了理论范围。

  《自然》杂志的审稿人对此也非常谨慎,提出很多问题。研究团队反复计算确认,“最终结果不变。这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写,或者以前某种黑洞形成机制被忽视。”刘继峰说。

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