我國天文學家捕獲“黑洞之王”

　　北京時間昨天（28日）凌晨，國際科學期刊《自然》發(fā)布了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發(fā)現(xiàn)。依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡，研究團隊發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

　　黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體。任何物質，包括光也無法從它身邊逃離。根據(jù)質量的不同，黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的。理論預言，銀河系中有上億顆恒星級黑洞，但迄今為止，天文學家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來識別的、質量均小于20倍太陽質量的黑洞。找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

　　2016年秋季開始，國家天文臺領導的研究團隊利用位于河北興隆的郭守敬望遠鏡開展雙星課題研究，歷時兩年監(jiān)測了一個小天區(qū)內3000多顆恒星。結果發(fā)現(xiàn)，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)LB-1中，一顆8倍太陽質量的藍色恒星，圍繞一個“看不見的天體”做著周期性運動。不同尋常的光譜特征表明，那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進行了“確認”：他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡，進一步確認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。

　　在兩年的監(jiān)測時間里，我國的郭守敬望遠鏡共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示，如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的幾率下，則需要40年的時間——這充分體現(xiàn)出郭守敬望遠鏡超高的觀測效率。

　　美國激光干涉引力波天文臺從2015年起，通過探測引力波的方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)十倍太陽質量的黑洞；2017年，雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在美國激光干涉引力波天文臺的建造和引力波探測方面的貢獻被授予諾貝爾物理學獎。美國激光干涉引力波天文臺臺長大衛(wèi)·雷茨評論表示，在銀河系內發(fā)現(xiàn)70倍太陽質量的黑洞，將使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里美國激光干涉引力波天文臺及歐洲室女座引力波天文臺探測到的雙黑洞并合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興。接下來，利用郭守敬望遠鏡極高的觀測效率，天文學家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞,開創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀元。 本報記者 張航

　　郭守敬

　　望遠鏡

　　位于中科院國家天文臺興隆觀測站，是中科院國家天文臺的國家重大科技基礎設施，為一架視場為5度橫臥于南北方向的中星儀式反射施密特望遠鏡。它于2008年10月落成，并在2009年6月順利通過國家驗收，之后被命名為 “郭守敬望遠鏡”。它是世界上光譜獲取率最高的望遠鏡，使我國天文學在大規(guī)模光學光譜觀測、大視場天文學研究上，居于國際領先的地位。

　　黑洞研究史

　　黑洞本身是一個引力非常強的天體，要追溯黑洞的歷史，就要追溯到人們對萬有引力的認識。17世紀，牛頓寫下萬有引力公式。在此基礎之上，牛頓得到了人們所熟知的逃逸速度公式。

　　■18世紀

　　法國數(shù)學家拉普拉斯想象在宇宙當中有可能會存在著一種天體，它非常致密，以至于從它自身發(fā)出的光都不能夠從它周圍逃脫出來�，F(xiàn)在看來這是最樸素的對于黑洞的一種想法。

　　■19世紀

　　更多科學家的觀測對于牛頓的理論提出了一些挑戰(zhàn)。

　　■20世紀初

　　愛因斯坦首先提出了狹義相對論，十年之后又提出了廣義相對論，對引力提出了顛覆性的認識。

　　德籍物理學家史瓦西得到了精確的愛因斯坦場方程解，這就是“沒有轉動黑洞的史瓦西解”。

　　■20世紀30年代末

　　美國的原子彈之父奧文海默和他的學生得到了一種學說：恒星在死亡塌縮的時候有可能塌縮成一個致密的奇點，并且推導出了這個質量的下限，3.2個太陽質量左右。

　　■20世紀60年代

　　黑洞的研究迎來了兩項突破性進展：1963年新西蘭的數(shù)學家羅伊·克爾精確得到了愛因斯坦場方程的帶有旋轉黑洞的精確解。1964年，用觀測方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級的黑洞。

　　一大批天文學家、物理學家投身于該領域。相對論物理大師約翰·惠勒命名了黑洞。霍金進一步發(fā)現(xiàn)了所謂的霍金輻射，改變了之前經典廣義相對論對于黑洞的認識。

　　■目前

　　科學家已經發(fā)現(xiàn)了非常多的黑洞。在銀河系中，按照理論，還應該存在著上億個恒星量級的黑洞。

　　原文作者：中科院國家天文臺研究員茍利軍

　　節(jié)選自光明日報