一颗黑洞,为何能颠覆人类的认知

  • 日期:01-08
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最近,天文学发生了一件大事。中国天文学家发现了迄今为止质量最大的恒星黑洞。新闻广播和主要媒体的报道铺天盖地,聚光灯暂时没有改变。

11月28日,世界领先的科学杂志《自然》发布了这一重大发现。中国科学院国家天文台的刘继峰和张郝彤的研究小组,利用中国自主研发的国家重量郭守敬望远镜(LAMOST),发现了这个生活在银河系的恒星黑洞,质量约为太阳质量的70倍,远远超过理论预测的质量极限,颠覆了人类的认知。刘继峰说:这个领导恒星黑洞世界的“小霸王”已经闯入了天文学定律的“禁区”。它的出现将推动恒星演化理论的创新。

所以问题是,一个质量是太阳70倍的黑洞能被称为“国王”吗?它是如何被发现的?“黑洞家族层次结构”黑洞本身不发光,看不见也摸不着,而且具有超强的吸引力。任何经过它的物质都逃不过最快的光。它可以被称为宇宙的真空吸收器。在北京,一颗恒星的密度是太阳质量的10倍,它被压缩成一个直径为六环的球体,相当于一个黑洞的密度。天文学家根据黑洞的质量将其分为三类,如下图所示:

是黑洞分类图(奇数真实图片)

黑洞是天文学家发现的太阳质量的70倍,属于恒星黑洞。

理论预测银河系中应该有数亿这样的恒星黑洞。然而,在过去的几十年里,只发现了大约20个,质量是太阳质量的3到20倍。因此,这个质量是太阳70倍的黑洞,是恒星黑洞家族的真正霸主。

其他亿万个恒星黑洞在哪里?为什么它们如此难以找到?天文学家用什么方法来发现黑洞?目前,天文学家已经想出了一个解决办法:要么听,要么看,要么找一个搭档。

听着:

通过引力波实验来听听时空震颤的涟漪,追踪双黑洞的合并事件,只适用于罕见的双黑洞。

瞧:

如果一个黑洞和一颗正常的恒星形成一个紧密的双星系统,黑洞会以其强烈的“胃口”直接从恒星的伴星吸取气体,形成吸积盘,发出明亮的x光。黑洞可以通过“观察”x光来追踪。

picture是(从互联网上)喷射x射线的黑桐吸积的艺术想象

寻找伴侣:

当黑洞远离它的伴星时,“大胃王”也会表现出平静温和的一面,这是不容易找到的。这时,黑洞只能通过伴星的小伙伴的运动来发现,但这种方法的前提是借助大型望远镜有效地找到伴星。

银河系中发现的恒星黑洞都是通过“观察”发现的,然而,只有一小部分黑洞双星系统能够发出x光。天文学家们正试图突破传统方法的局限,通过“寻找伙伴”来寻找绝大多数恒星黑洞。这个70质量黑洞的发现证明了新方法的可行性。

Walking and Cailable Partner

2016年初,研究人员利用LAMOST观测双星,并启动了双星研究计划,在两年内观测天空中的3000多颗恒星。其中一颗明亮的蓝色恒星“行走和拉风”,吸引了研究人员的注意,似乎在一个看不见的天体周围周期性地移动。它围绕着看不见的“谁”运动在做什么?这真的是黑洞吗?每个专业天文学家都是伟大的夏洛克福尔摩斯。通过研究LAMOST眼中蓝星的光谱特征,他们找到了黑洞的线索。光谱就像识别恒星的“基因”,包含丰富的信息。蓝色恒星的光谱包含黑洞的“基因”。

是对新发现的黑洞(余敬川画)的艺术想象

为了进一步验证,研究人员使用西班牙10.4米加那利望远镜和美国10米凯克望远镜进行高分辨率观测,进一步证实了双星系统的性质。最后,研究人员估计这个无形细胞的质量

目前的恒星演化理论预测,在太阳金属丰度下,只能形成最大质量为太阳质量25倍的黑洞。显然,这个黑洞突破了现有理论的局限,极大地挑战了天文学定律。因此,它的出现意味着关于恒星演化形成黑洞的理论被改写了,或者某种黑洞形成机制被忽略了。

一千颗恒星的优势

这个黑洞位于银河系,离我们不远。为什么以前从未被观察到?因为黑洞所在的二进制系统的x光很弱,所以“寻找”方法找不到它。

天文学家通过观察伴星的轨迹发现了它们。这种方法的前提是,你需要在很长一段时间内观察颗恒星数百次,以确定它们的轨迹规律。然而,天空中有这么多星星,工作量相当于“大海捞针”。LAMOST可以解决这个问题。LAMOST是目前世界上光谱采集率最高的望远镜,也是世界上第一个光谱采集量超过千万的光谱测量项目。直径4米,有4000只眼睛(光纤),一眼就能看到4000颗星星。因此,“大海捞针”的任务肯定属于他。如果同样口径的望远镜执行这个黑洞搜索任务,将需要40年。

这个小黑洞霸主的出现标志着利用LAMOST在天空勘测中的优势寻找黑洞的新时代的到来。预计国家天文台的研究小组将使用LAMOST来启动黑洞搜寻计划。预计在五年内将会发现和测量更多的黑洞,并描绘出黑洞的群体图像,从而开创了黑洞大规模发现的新时代。

图片展示了LAMOST和星空(陈颖拍摄)

作者/李双(中国科学院国家天文台工程师,LAMOST运行与发展中心宣传总监)

审查员/王松(中国科学院国家天文台助理研究员,主要从事黑洞双星和恒星活动的研究)。这篇文章摘自《企鹅科学》

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