我国天文学家捕获“黑洞之王”

2019-11-30 09:29 来源:北京晚报

  北京时间昨天凌晨,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,研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。这颗70倍太阳质量的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,有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

  黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质,包括光也无法从它身边逃离。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的。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位于河北兴隆的郭守敬望远镜开展双星课题研究,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。

  在两年的监测时间里,我国的郭守敬望远镜共为这项研究做了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——这充分体现出郭守敬望远镜超高的观测效率。

  美国激光干涉引力波天文台从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·巴里什因在美国激光干涉引力波天文台的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。美国激光干涉引力波天文台台长大卫·雷茨评论表示,在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,将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及欧洲室女座引力波天文台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,利用郭守敬望远镜极高的观测效率,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。 本报记者 张航

  图为LB-1艺术想象图 喻京川绘

  郭守敬

  望远镜

  位于中科院国家天文台兴隆观测站,是中科院国家天文台的国家重大科技基础设施,为一架视场为5度横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜。它于2008年10月落成,并在2009年6月顺利通过国家验收,之后被命名为 “郭守敬望远镜”。它是世界上光谱获取率最高的望远镜,使我国天文学在大规模光学光谱观测、大视场天文学研究上,居于国际领先的地位。

  黑洞研究史

  黑洞本身是一个引力非常强的天体,要追溯黑洞的历史,就要追溯到人们对万有引力的认识。17世纪,牛顿写下万有引力公式。在此基础之上,牛顿得到了人们所熟知的逃逸速度公式。

  ■18世纪

  法国数学家拉普拉斯想象在宇宙当中有可能会存在着一种天体,它非常致密,以至于从它自身发出的光都不能够从它周围逃脱出来。现在看来这是最朴素的对于黑洞的一种想法。

  ■19世纪

  更多科学家的观测对于牛顿的理论提出了一些挑战。

  ■20世纪初

  爱因斯坦首先提出了狭义相对论,十年之后又提出了广义相对论,对引力提出了颠覆性的认识。

  德籍物理学家史瓦西得到了精确的爱因斯坦场方程解,这就是“没有转动黑洞的史瓦西解”。

  ■20世纪30年代末

  美国的原子弹之父奥文海默和他的学生得到了一种学说:恒星在死亡塌缩的时候有可能塌缩成一个致密的奇点,并且推导出了这个质量的下限,3.2个太阳质量左右。

  ■20世纪60年代

  黑洞的研究迎来了两项突破性进展:1963年新西兰的数学家罗伊·克尔精确得到了爱因斯坦场方程的带有旋转黑洞的精确解。1964年,用观测方法发现了第一颗恒星级的黑洞。

  一大批天文学家、物理学家投身于该领域。相对论物理大师约翰·惠勒命名了黑洞。霍金进一步发现了所谓的霍金辐射,改变了之前经典广义相对论对于黑洞的认识。

  ■目前

  科学家已经发现了非常多的黑洞。在银河系中,按照理论,还应该存在着上亿个恒星量级的黑洞。

  原文作者:中科院国家天文台研究员苟利军

  节选自光明日报

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(责任编辑:支艳蓉)
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