现身:中国主导发现银河系中的黑洞巨兽

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坍缩,爆炸,当那一天来临,恒星会在刹那间开放成一朵宇宙中最美丽的烟花。激荡的星风在星际物质间吹卷肆虐,各种绚丽的色彩彼此碰撞纠缠,无数喷涌而出的光子,携带着它生命的印记,穿越时空,直达宇宙的每个角落。那光芒璀璨无比,甚至超过它所在的星系,它宣告恒星的死亡,更昭告黑洞的新生。

LB-1的艺术想象图(喻京川绘)

想象你是一艘星舰的舰长,正在广袤的宇宙中进行星际航行。你的目标是数光年外的一颗恒星,而飞船周围除了黑暗一无所有。突然间,刺耳的电脑警报声响起:航线异变!你的飞船被一股强大的引力拖离了原有航线!

那里有什么东西?引力如此之大而又完全无形?正当船员们手足无措的时候,拥有足够天体物理知识的你马上想到:难道我遇上了黑洞?

黑洞之名,前世今生

十八世纪的欧洲刚刚经历了第一次科学革命。从哥白尼到牛顿,科学的概念与方法论得以确立,科学开始广泛兴起与发展。1783年,英国学者约翰·米歇尔提出,一个密度不小于太阳、直径为太阳500倍的天体将是不可见的,因为光无法逃离天体表面。

一百多年后的1915年,爱因斯坦发表广义相对论时,第一次世界大战正进行得如火如荼。在寒冬已至的俄罗斯前线,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。这个解表明,如果某天体质量被压缩于很小的空间内(即后来的史瓦西半径),任何落入该空间的物质,包括光,都无法从中逃离。这种天体在1968年被美国物理学家约翰·惠勒命名为“黑洞”。

根据恒星演化理论,恒星级黑洞是大质量恒星(M>2030倍太阳质量)演化到生命终点的产物。坍缩,爆炸,当那一天来临,恒星会在刹那间开放成一朵宇宙中最美丽的烟花。激荡的星风在星际物质间吹卷肆虐,各种绚丽的色彩彼此碰撞纠缠,无数喷涌而出的光子,携带着它生命的印记,穿越时空,直达宇宙的每个角落。那光芒璀璨无比,甚至超过它所在的星系,它宣告恒星的死亡,更昭告黑洞的新生。

黑洞本身不发光,具有超强引力,任何从其身边经过的物质,包括速度最快的光也无法逃离。那么我们该如何发现它们呢?这要感谢双星系统的存在。黑洞通过掠夺伴星的物质形成吸积盘,像哥斯拉一样喷出明亮的高能射线,宣告自己的领地及不可侵犯。迄今为止,银河系中所有恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线识别。在过去的五十年里,人们用这种方法发现了约二十个黑洞,质量在3到20倍太阳质量之间。

银河系内有数以千亿计的恒星,按照理论预测,银河系中应该有上亿个恒星级黑洞。但在黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的只占一小部分。那么当黑洞不吸积伴星气体时,我们该如何发现这些潜伏在星际空间中的巨兽呢?

光谱监测,黑洞现身

近日,一项由中国科学院国家天文台主导的研究,就发现了一个X射线辐射宁静的双星系统(命名为LB-1),其中包含一个巨大的黑洞。

该论文通讯作者之一张昊彤研究员介绍说,从2016年秋季开始,以国家天文台为首的研究团队利用大口径多目标分光望远镜(以下简称LAMOST)开展双星课题研究,对一个小天区内3000多颗恒星进行了历时两年之久的长期监测。其中,一颗在反银心方向的B型星(光谱型为B,恒星表面温度在1万度至3万度之间)表现出周期性的径向速度变化,以及一条近乎静止的Hα发射线。这说明Hα发射线并非来自于B型星。随后,西班牙10.4米加纳利大望远镜(GTC)和美国10米凯克望远镜(Keck)的观测证实了上述发现。

在该源中,光谱观测显示具有明显周期性运动的恒星吸收线(来自于B型星)和具有小振幅反相位运动的宽Hα发射线(来自于某不可见天体)。是谁在耳边,宛如黑夜里的幽灵?

研究人员进而利用恒星大气模型拟合光谱、利用恒星演化模型拟合谱能量分布,发现该B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度(太阳丰度为0.017),质量约为8倍太阳质量,年龄为35百万年,距离我们1.4万光年。

基于对观测数据中恒星吸收谱线的测量,研究人员发现LB-1轨道周期为78.9天,并得到了B型星和Hα发射线的速度曲线(图1)。最终,他们计算得出该不可见天体的质量约为B型星质量的8倍,即约70倍太阳质量——它只能是黑洞![注1]

图1. LB-1系统中B型星和黑洞的运动规律和速度曲线

LB-1与其它恒星级黑洞有何不同?除了质量上的巨大差距,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到。研究人员用Chandra X射线天文台对该源进行了1万秒的观测,给出了它的X射线光度上限2×1031erg/s。这么低的光度表明黑洞对其伴星的吸积非常弱。对于银河系中一些低质量X射线双星,在X射线宁静态时也观测到了类似的Hα发射线,其中吸积盘在离黑洞较远处截断,不会延伸到黑洞视界临近的区域,从而不会产生显著的X射线辐射。

长期以来,人们认为径向速度监测可以发现宁静态的黑洞双星,LB-1的发现提供了一个经典案例,并且它的性质与银河系的黑洞 X射线双星显著不同。这表明未来类似的监测将发现一批与X射线明亮的黑洞不同的宁静态黑洞,从而推进关于黑洞形成和质量分布的研究,并由此开辟出一个新的研究领域。

巨兽之身,何以诞生

从2015年起,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)及欧洲室女座引力波天文台(Virgo)的引力波观测实验已经发现了重达几十个太阳质量的黑洞,质量远高于先前已知的银河系黑洞。本研究发现的70倍太阳质量的LB-1证实了银河系内也存在此类大质量恒星级黑洞(图2)。这颗黑洞的质量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,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

图2. LB-1和通过引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布

该论文第一作者和通讯作者刘继峰研究员介绍说,一般模型认为大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度(低于1/5太阳金属丰度)环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。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,因此,LB-1中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。这可能意味着有关恒星物理需要进行修改,或者以前某种形成机制被忽视。

LIGO台长大卫·雷茨评论说,“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞,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LIGO及Virgo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”。

另一种可能性是,LB-1中的黑洞不是由一颗恒星坍缩形成的。比如,LB-1最初是一个三体系统,观测到的B星位于最外轨道,是质量最小的组成部分,而现在的黑洞是由最初内部的双星形成的双黑洞并合而成的。甚至,LB-1的主星目前可能仍然为两个黑洞,它们彼此绕转形成一个双星,而观测到的B型星是第三伴星。在这种情形下,该系统将是黑洞并合事件的绝佳候选体,并为研究三体系统中双黑洞的形成提供了独一无二的实验室。

此外,LB-1拥有一个令人惊讶的圆形轨道,可能对我们理解该系统的形成过程有所启发。这样一个宽距双星由于潮汐作用导致的轨道圆化至少需要与宇宙年龄一样长的时间,比它自身的年龄要长得多。这排除了LB-1形成于黑洞通过动力学过程捕获B型星的可能性,因为这样的捕获将导致一个偏心轨道,直到现在该轨道也不可能被圆化。如果是共同演化的双星,这表明黑洞形成时由于非球对称抛射造成的对B型星的“踢力”很小,黑洞的质量损失可以忽略,从而有助于形成大质量的黑洞。

恒星演化理论预测了在一定条件下爆发失败的超新星以及直接形成的黑洞,一些观测可能支持它们的存在,但在最近十年仍然缺乏直接观测证据。LB-1可能提供这个过程的动力学证据。

观天重器,砥砺前行

从2016年11月至2018年3月,为了发现和研究光谱双星,研究人员利用LAMOST对开普勒K2-0天区中亮于14星等的约3000个目标分别进行了26次观测,累计曝光时间为42小时。在这3000个源中,研究人员发现了LB-1这个大质量恒星黑洞,即发现率约1/3000。这说明如果利用一架普通四米望远镜专门来寻找这样一颗黑洞,每天观测8小时,一年365天进行连续观测,同样的几率下,则需要40年的时间!这充分体现出LAMOST超高的观测效率!

LAMOST是我国自主研制、全世界光谱获取率最高的光谱望远镜(图3)。它拥有4000颗眼睛(光纤),因此每次能观测近4000个天体。LAMOST巡天七年,于2019年成为全球首个获取光谱数突破千万的光谱巡天项目,为天文学家搜寻特殊天体、探索银河系形成与演化等提供了最有力的数据支持。

图3. LAMOST望远镜与星空(国家天文台供图)

LAMOST在这次科学发现中发挥了不可替代的作用。刘继峰研究员介绍说,本研究提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法,接下来,他们会继续利用LAMOST对其它数个天区进行类似的观测。依托LAMOST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。

注1:LB-1的Hα发射线一定来自围绕黑洞的吸积盘么?

Hα发射线的半高全宽为240 km/s,不可能来自前景的M型矮星或周围的星云,也不可能与背景的活动星系核/类星体相关,因为并没有红移非零的谱线。复杂的多峰结构表明起源于开普勒气体盘。该气体盘可能围绕着B型星、黑洞或双星。

首先,气体盘围绕B型星这种可能可以被排除,因为Hα发射线没有跟随B型星的运动。其次,一个环双星吸积盘的内半径将在1.7倍双星距离处被截断,其相应的投影速度约为可见恒星速度的0.75倍,即大约40 km/s。这样一个环双星盘的发射线将被限制在40 km/s之内,但是LB-1的发射线比40 km/s宽三倍,线翼延伸超过300 km/s。这也排除了Hα发射线来自于一个环双星盘的可能性。因此,该Hα发射线只能是来自于黑洞周围的吸积盘。

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来源:赛先生

编辑:Kun

来源:娱乐帅小伙

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