郭守敬望远镜再立功 发现最小级别黑洞中“超级霸王”

　　新京报快讯（记者 张璐）记者今天（11月28日）从中科院国家天文台获悉，中国天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。

　　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。

　　北京时间2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的这一项重大发现。

　　LB-1的艺术想象图 (喻京川 绘)。国家天文台供图

　　观测恒星级黑洞的两种传统方法

　　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(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍-10倍万太阳质量)和超大质量黑洞(10倍万太阳质量以上)。这其中，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”。

　　由于黑洞自身不发光，难以被发现。目前恒星级黑洞被观测验证有两种方法，一是通过引力波实验聆听时空的涟漪推知双黑洞并和事件，适用于发现稀少的双黑洞。二是通过监测明亮伴星的运动推知黑洞存在并测量黑洞质量，适用于发现有明亮伴星的黑洞。

　　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射线倍太阳质量的黑洞。

　　“在传统方法中，需要黑洞吸积盘X射线指引，但是只有极少数黑洞和伴星很近的系统能产生X射线辐射，使黑洞被发现。”论文第一作者和通讯作者刘继峰说道。

　　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。

　　不依赖X射线 LAMOST发现找寻黑洞新方法

　　LAMOST监测揭示黑洞不依赖X射线，而是直接监测大量恒星的运动。

　　光谱，就好比恒星的条形码。“光谱中谱线移动揭示恒星运动，需要获取大量恒星的大量光谱。在上世纪六十年代，人们已经调集大量观测资源进行研究，但是由于设备灵敏度、数据质量等问题，最后没有发现黑洞。”刘继峰说，如今，我国自主研制的先进设备LAMOST可以同时获取4000个光谱，世界上光谱获取率最高，可以践行利用视向速度监测发现黑洞的新方法。

　　2016年秋季开始，国家天文台领导的研究团队利用LAMOST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。

　　“它是迄今为止质量最大的由恒星坍缩形成的恒星级黑洞，相当于最小级别黑洞中的‘小霸王’。”刘继峰说。

　　值得一提的是，在两年之久的监测时间里，LAMOST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LAMOST超高的观测效率。

　　天文学家会为恒星级黑洞拍照片吗？刘继峰表示，此次发现的黑洞是恒星级的黑洞，质量和视界也非常小，相比此前拍摄过照片的超大质量、M87黑洞，LB-1的视界要小的多，目前的技术还没有办法给它拍照片。

　　猎手计划5年内预计发现近百个黑洞

　　目前恒星演化理论预言，在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

　　LIGO（美国激光干涉引力波天文台）台长大卫·雷茨评论，“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）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”。

　　据悉，这项工作是基于LAMOST（中国兴隆）、加纳利大望远镜（西班牙加纳利群岛）、凯克望远镜（美国夏威夷）和钱德拉X射线天文台（美国）的观测数据完成的。研究共包括55位作者，来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家28家单位。

　　刘继峰说，下一步将开展黑洞猎手计划，利用LAMOST极高的观测效率，开始监测四个其它天区，用视向速度监测和天测数据结合，批量发现黑洞并测量黑洞质量。预计5年内发现并测量近百个黑洞，五倍于银河系中已知黑洞。

　　届时，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。“通过擘画黑洞群像，构建具有统计显著性的致密天体质量分布，将解答致密天体研究的系列基本问题。”刘继峰说。

　　据悉，黑洞小分队将由国家天文台、上海天文台、武汉大学等跨院校的团组组成。

　　揭秘：一眼千星的LAMOST如何发现黑洞

　　在位于河北省的中国科学院国家天文台兴隆观测站，一座巨大的白色建筑斜架在燕山主峰南麓，指向天空，这就是新类型的大视场兼备大口径望远镜——郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，英文缩写LAMOST）。

　　郭守敬望远镜突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得的难题，成为目前国际上口径最大的大视场望远镜。它拥有4000根光纤，一次能观测近4000个天体。

　　2019年3月，LAMOST公开发布了1125万条光谱，成为全球首个突破千万的光谱巡天项目，被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

　　国家天文台高级工程师白仲瑞介绍称，LAMOST有两大自主创新技术，一是薄镜面与拼接镜面主动光学技术，近千个力促动器在观测过程中保证镜面聚焦。二是并行可控光纤定位系统，4000个光纤定位单元在几分钟内使所有光纤对准目标。

　　“天体的光要经过复杂的光学系统，中间还混杂了各种噪声，最后形成观测数据。这样的数据无法直接使用，要有一套可靠的数据处理系统，去除背景噪音和仪器响应，获得天体光谱与物理参数。”白仲瑞说，目前LAMOST的数据处理系统非常复杂，科研人员从2004年开始开发，历经10余年，有3000多次更新，现有8万多行程序，数据精度达到国际先进水平。

　　在此次黑洞发现过程中，LAMOST起了什么作用？

　　白仲瑞说，如果恒星绕着一颗主星旋转的话，它的视向速度会有周期性变化，天文学家用视向速度的变化监测器是否为“双星”，并选择双子座附近的天区，对3000多颗恒星进行26次重复监测，根据光谱计算出视向速度。其中，天文学家发现300颗恒星有周期规律，根据光谱和周期变化的幅度，估计了主星和伴星的质量，其中有22个致密天体的候选体。

　　“其中有一个特别奇怪，它有B型星的光谱，还有强Hα发射线，B型星的视向速度有漂亮的周期性变化，但是Hα发射线视向速度的变化非常小，通过进一步研究，天文学家证实这是一个黑洞。”白仲瑞说，这样的概率表明，LAMOST是探索黑洞的最佳选择，利用LAMOST数据可以产生突破性的、世界领先的研究成果。

　　新京报记者 张璐

　　编辑 樊一婧 校对 李世辉