颠覆人们对恒星级黑洞形成的传统认知——揭开“黑洞之王”的神秘面纱

　　LAMOST再立功

　　这颗距离地球1.5万光年之外的恒星级“黑洞之王”，其发现与一个默默奉献的“大功臣”——LAMOST，密不可分。“如果利用一架普通4米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，相同几率下，则需要40年时间，这充分体现出LAMOST超高的观测效率。”刘继峰表示。

　　他说，早在上世纪六七十年代，人类就已经调动了大量观测资源来发现黑洞，但由于设备灵敏度以及海量数据处理的难题，最终收效甚微。迫于现实，科学家们想到了利用X射线来识别黑洞的方法，但也困难重重。

　　怎么办？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。关键时刻，我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜LAMOST派上用场。

　　我们知道，黑洞是由大质量的恒星死亡后发生引力塌缩形成的。“研究天体，科学家们常常有3个观测维度：明暗、颜色、位置。”中国科学院国家天文台高级工程师白仲瑞介绍，这其中，颜色是科学家们常常使用的观测依据，而颜色又会在光谱特征上有所表现。“换句话说，光谱就像天体的‘条形码’。”白仲瑞解释。

　　而收集这些巨量“条形码”恰恰是“光谱之王”——LAMOST所擅长的。白仲瑞说，LAMOST拥有4000颗眼睛（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，被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

　　“工欲善其事必先利其器”。正是LAMOST这台“天文利器”，助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”。

　　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中的3000多颗恒星开展了为期两年的光谱监测。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，这个“看不见的天体”还表现不同寻常的光谱特征。

　　这颗B型星背后一定有故事，它到底在绕着看不见的“谁”在运动？莫非真的是黑洞！天文学家在追逐宇宙真相的道路上从来不会轻易放过任何一种可能。短暂的激动兴奋过后，研究人员随即申请了西班牙10.4米加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜协助观测，进一步确认了B型星的光谱性质。

　　根据光谱信息，研究人员计算出B型星的金属丰度约为1.2倍太阳丰度，质量约为8倍太阳质量，年龄约为35百万年，距离我们1.4万光年。“再辅以其他证据，研究人员计算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体，它只能是黑洞。”刘继峰称。

　　颠覆传统认知

　　故事至此还没有结束。

　　根据目前的恒星演化模型，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”。换句话说，银河系中单个恒星黑洞的质量不应该超过太阳的20倍。而LAMOST的发现，可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写，或者以前某种黑洞形成机制被忽视。

　　事实究竟是怎样的？答案是：继续观测并验证。“在接下来的长达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。”刘继峰说。

　　时光不负情深。最终的结果成就了LAMOST的这段佳话。为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上作出的贡献，天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。与其他已知的恒星级黑洞不同，LB-1从未在任何X射线观测中被探测到，这颗黑洞与它的伴星相距较远，有1.5倍日地距离。研究人员用美国钱德拉X射线天文台对该源进行观测，发现这颗新发现的黑洞对其伴星吸积非常微弱，是一个“平静温和”的恒星级黑洞“冠军”。

　　这一发现有何意义？美国激光干涉引力波天文台LIGO从2015年起，通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞；2017年，雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。

　　刘继峰说，LB-1是一个X射线辐射宁静的双星系统，利用常规X射线方法搜寻这类黑洞是行不通的。长期以来，人们认为径向速度监测可以发现平静态的黑洞双星，这颗迄今最大质量黑洞的发现证实了这一点。利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法，相信天文学家将会发现一批深藏不露的平静态黑洞，从而逐步揭开这个黑暗“家族”的内幕，为研究黑洞成员的形成演化以及质量分布迈出标志性的一步。

　　“接下来，利用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。”刘继峰表示。（记者 沈 慧）