黑洞捕手计划上线！LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞

2019年11月28日，国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。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发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，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，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

一、宇宙吸光器

　　霍金在其最后的著作《十问》中写道，“事实有时候比小说更奇妙，黑洞最能真实地体现这一点，它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。 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，预示了黑洞的存在。自此人类就没有停止过对这种神秘天体的想象和探索。

　　1965年，天鹅座X-1因其强X射线辐射成为第一颗被发现的黑洞侯选体；2015年，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了更为具体的证据；2019年，天文学家历时10年利用四大洲八个观测点捕获了黑洞的视觉证据——首张黑洞“芳容”，让这个曾经“看不见摸不着”的诡异天体有了一丝亲和力。黑洞到底是什么，为何让一代代天文学家为之如此着迷？本身不发光，密度非常大（把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中，这样的密度就相当于黑洞的密度），具有超强的吸引力，任何从其身边经过的物质，就连速度最快的光也无法逃离，这种神奇的天体就是黑洞。因此可以说，黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

　　天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞（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）。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞，而在星系的中心存在着超大质量黑洞，比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

二、如何观测恒星级黑洞

　　黑洞神秘而又有趣，若龙潜深渊，隐藏爪牙，潜行于宇宙星海中。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统，黑洞就会露出狰狞的爪牙，以强大的“胃口”直接把恒星伴星上的气体物质吸过来，形成吸积盘，发出明亮的X射线光（图一）。这些X射线光如同这些物质被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是这一“照”成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索。然后，天文学家会通过监测伴星的运动，测量黑洞的质量，这适用于明亮伴星的黑洞系统。另一种方法是对于稀少的双黑洞，科学家主要通过引力波实验聆听时空的涟漪，进而推知黑洞并合事件。

　　迄今为止，银河系中几乎所有的恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的。过去的五十年里，人们用该种方法发现了约二十颗黑洞，质量均在3到20倍太阳质量之间。

　　银河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颗大质量死亡形成的恒星级黑洞，而在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时，我们的“大胃王”也会表现出平静温和的一面，那对于这些平静态（不吸积伴星气体）的黑洞如何来搜寻呢？天文学家在发现这颗最大恒星级黑洞的过程中给出了全新的答案。

图一 黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图（来自网络）

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

　　国家天文台领导的研究团队在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统，这其中会不会包含一颗深藏不露的黑洞？700多天的追逐之路饱含了艰辛和精彩。

　　2016年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱，开展双星系统的研究计划，并选择了开普勒一个天区（K2-0）中的3000多个天体进行了为期两年的光谱监测。在这其中有一颗“走路拉风”的B型星引起了研究人员的关注，这颗星表现出规律地周期性运动和不同寻常的光谱特征。