黑洞是咱們耳熟能詳?shù)牡乩韺W(xué)名詞，也是地理學(xué)研討中的“明星”。作為世界中最?yuàn)W秘的天體，這個(gè)“明星”雖然沒(méi)有任何光環(huán)(黑洞自身不發(fā)光)，卻極具吸引力(黑洞具有極強(qiáng)的引力，連光都無(wú)法從它鄰近逃離)，引發(fā)地理學(xué)家巨大的探究興趣，我國(guó)地理學(xué)家天然也不例外。
依托我國(guó)自主研發(fā)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，我國(guó)科學(xué)院國(guó)家地理臺(tái)研討團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞，并供給了一種使用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新辦法。這顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，推翻了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞構(gòu)成的認(rèn)知，有望推進(jìn)恒星演化和黑洞構(gòu)成理論的革新。這一效果28日在世界權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《天然》宣布。
黑洞是一種自身不發(fā)光、密度十分大的奧秘天體。它具有超強(qiáng)吸引力，任何物質(zhì)，包括速度最快的光也無(wú)法從它身邊逃離。依據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞一般分為恒星級(jí)黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。這其間，恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡構(gòu)成的，是世界中廣泛存在的“居民”。理論預(yù)言銀河系中有上億顆恒星級(jí)黑洞，但迄今為止，地理學(xué)家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級(jí)黑洞——并且都是經(jīng)過(guò)黑洞吸積伴星氣體所宣布的X射線來(lái)辨認(rèn)的，質(zhì)量均小于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。找到新的辦法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒(méi)有X射線輻射的黑洞，成了地理學(xué)界近年來(lái)研討的熱門和難點(diǎn)。
2016年秋季開端，以國(guó)家地理臺(tái)為首的研討團(tuán)隊(duì)使用LAMOST展開雙星課題研討，歷時(shí)兩年半監(jiān)測(cè)了一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。成果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射安靜的雙星體系(LB-1)中，一顆質(zhì)量是太陽(yáng)八倍的藍(lán)色恒星，圍繞“一個(gè)看不見”的天體做著周期性運(yùn)動(dòng)。不同尋常的光譜特征標(biāo)明，那個(gè)“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研討人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們經(jīng)過(guò)西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步確認(rèn)了LB-1的光譜性質(zhì)，計(jì)算出該黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的70倍。
目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下構(gòu)成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。這顆新發(fā)現(xiàn)黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，將迫使地理學(xué)家改寫恒星級(jí)黑洞的構(gòu)成模型。這一特殊的效果，將與曩昔四年里美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)及歐洲室女座引力波地理臺(tái)(Virgo)探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推進(jìn)黑洞天體物理研討的復(fù)興”。
霍金在其最終的作品《十問(wèn)》中寫道，“現(xiàn)實(shí)有時(shí)候比小說(shuō)更奇妙，黑洞最能真實(shí)地表現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。 1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)示了黑洞的存在。自此人類就沒(méi)有中止過(guò)對(duì)這種奧秘天體的想象和探究。1964年，天鵝座X-1因其強(qiáng)X射線輻射成為第一顆被發(fā)現(xiàn)的黑洞侯選體;2015年，初次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在供給了更為具體的依據(jù);2019年，地理學(xué)家歷時(shí)10年使用四大洲八個(gè)觀測(cè)點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺(jué)依據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。黑洞究竟是什么，為何讓一代代地理學(xué)家為之如此入神?自身不發(fā)光，密度十分大，具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過(guò)的物質(zhì)，就連速度最快的光也無(wú)法逃離，這種神奇的天體便是黑洞。因而可以說(shuō)，黑洞是當(dāng)之無(wú)愧的世界真空“吸光器”。
黑洞自身不發(fā)光，地理學(xué)家又如安在茫茫世界中尋找到它們呢?假如黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)密近雙星體系，黑洞就會(huì)直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過(guò)來(lái)，構(gòu)成吸積盤，宣布明亮的X射線光。這些X射線光好像這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，便是這一“照”成為地理學(xué)家曩昔這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。
迄今為止，銀河系中所有恒星級(jí)黑洞都是經(jīng)過(guò)黑洞吸積伴星氣體所宣布的X射線來(lái)辨認(rèn)。曩昔的五十年里，人們用該種辦法發(fā)現(xiàn)了約二十顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論猜測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級(jí)黑洞，而在黑洞雙星體系中，可以宣布X射線輻射的只占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星間隔較遠(yuǎn)時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出安靜溫和的一面，那關(guān)于這些安靜態(tài)(不吸積伴星氣體)的黑洞如何來(lái)搜尋呢?地理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過(guò)程中給出了全新的答案。
星星在繞“誰(shuí)”運(yùn)動(dòng)?2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研討員和云南地理臺(tái)韓占文院士提出使用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，展開雙星體系的研討方案，并挑選了開普勒一個(gè)天區(qū)中的3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年之久的光譜監(jiān)測(cè)。在這其間，有一顆B型星表現(xiàn)出規(guī)律的周期性運(yùn)動(dòng)和不同尋常的光譜特征。這條LAMOST“眼中”的B型星光譜攜帶了十分豐富的信息，除了可以獲取它的有用溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的明線給這顆星增添了足夠的奧秘感。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這顆特殊B型星背后的真相，研討人員隨即申請(qǐng)了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡的21次觀測(cè)和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡的7次高分辨率觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。依據(jù)光譜信息，研討人員計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽(yáng)豐度，質(zhì)量約為8倍太陽(yáng)質(zhì)量，年紀(jì)約為35百萬(wàn)年，間隔咱們1.38萬(wàn)光年，并計(jì)算出該雙星體系中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽(yáng)質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上作出的奉獻(xiàn)，地理學(xué)家給這個(gè)包括黑洞的雙星體系命名為L(zhǎng)B-1。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠(yuǎn)(1.5倍日地間隔)。研討人員用錢德拉X射線地理臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)其伴星吸積十分弱小，是一個(gè)“安靜溫和”的恒星級(jí)黑洞界“冠軍”。
從2015年起，美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)及歐洲室女座引力波地理臺(tái)(Virgo)的引力波觀測(cè)試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系里的恒星級(jí)黑洞。而研討人員發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的超級(jí)黑洞不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞，一起刷新了人類關(guān)于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量范圍的認(rèn)知。目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下構(gòu)成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，因而，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。
“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就
這顆 “黑洞之王”的發(fā)現(xiàn)充沛證實(shí)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)壯的光譜獲取才能。LAMOST具有4000顆眼睛(4000根光纖)，一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST揭露發(fā)布了1125萬(wàn)條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬(wàn)的光譜巡天項(xiàng)目，被地理學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。
從2016年11月開端，為了發(fā)現(xiàn)和研討光譜雙星，研討人員使用LAMOST對(duì)開普勒一個(gè)天區(qū)的3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)刻約40小時(shí)。假如使用一架普通四米望遠(yuǎn)鏡專門來(lái)尋找這樣一顆黑洞(一年觀測(cè)365天，每天觀測(cè)8小時(shí))，相同的幾率下，則需要40年的時(shí)刻，這充沛表現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率。
這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，也是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，這一效果也為地理學(xué)家供給了一種使用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新辦法。
依托我國(guó)自主研發(fā)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)，我國(guó)科學(xué)院國(guó)家地理臺(tái)研討團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級(jí)黑洞，并供給了一種使用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新辦法。這顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞遠(yuǎn)超理論預(yù)言的質(zhì)量上限，推翻了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞構(gòu)成的認(rèn)知，有望推進(jìn)恒星演化和黑洞構(gòu)成理論的革新。這一效果28日在世界權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《天然》宣布。
黑洞是一種自身不發(fā)光、密度十分大的奧秘天體。它具有超強(qiáng)吸引力，任何物質(zhì)，包括速度最快的光也無(wú)法從它身邊逃離。依據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞一般分為恒星級(jí)黑洞、中等質(zhì)量黑洞和超大質(zhì)量黑洞。這其間，恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡構(gòu)成的，是世界中廣泛存在的“居民”。理論預(yù)言銀河系中有上億顆恒星級(jí)黑洞，但迄今為止，地理學(xué)家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級(jí)黑洞——并且都是經(jīng)過(guò)黑洞吸積伴星氣體所宣布的X射線來(lái)辨認(rèn)的，質(zhì)量均小于20個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。找到新的辦法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒(méi)有X射線輻射的黑洞，成了地理學(xué)界近年來(lái)研討的熱門和難點(diǎn)。
2016年秋季開端，以國(guó)家地理臺(tái)為首的研討團(tuán)隊(duì)使用LAMOST展開雙星課題研討，歷時(shí)兩年半監(jiān)測(cè)了一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。成果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射安靜的雙星體系(LB-1)中，一顆質(zhì)量是太陽(yáng)八倍的藍(lán)色恒星，圍繞“一個(gè)看不見”的天體做著周期性運(yùn)動(dòng)。不同尋常的光譜特征標(biāo)明，那個(gè)“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研討人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們經(jīng)過(guò)西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步確認(rèn)了LB-1的光譜性質(zhì)，計(jì)算出該黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的70倍。
目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下構(gòu)成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。這顆新發(fā)現(xiàn)黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論，“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，將迫使地理學(xué)家改寫恒星級(jí)黑洞的構(gòu)成模型。這一特殊的效果，將與曩昔四年里美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)及歐洲室女座引力波地理臺(tái)(Virgo)探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推進(jìn)黑洞天體物理研討的復(fù)興”。
霍金在其最終的作品《十問(wèn)》中寫道，“現(xiàn)實(shí)有時(shí)候比小說(shuō)更奇妙，黑洞最能真實(shí)地表現(xiàn)這一點(diǎn)，它比科幻作家想象的任何東西都更奇妙”。 1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·史瓦西推導(dǎo)出了愛因斯坦場(chǎng)方程式的一個(gè)精確解，預(yù)示了黑洞的存在。自此人類就沒(méi)有中止過(guò)對(duì)這種奧秘天體的想象和探究。1964年，天鵝座X-1因其強(qiáng)X射線輻射成為第一顆被發(fā)現(xiàn)的黑洞侯選體;2015年，初次探測(cè)到的引力波為黑洞的存在供給了更為具體的依據(jù);2019年，地理學(xué)家歷時(shí)10年使用四大洲八個(gè)觀測(cè)點(diǎn)捕獲了黑洞的視覺(jué)依據(jù)——首張黑洞“芳容”，讓這個(gè)曾經(jīng)“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。黑洞究竟是什么，為何讓一代代地理學(xué)家為之如此入神?自身不發(fā)光，密度十分大，具有超強(qiáng)的吸引力，任何從其身邊經(jīng)過(guò)的物質(zhì)，就連速度最快的光也無(wú)法逃離，這種神奇的天體便是黑洞。因而可以說(shuō)，黑洞是當(dāng)之無(wú)愧的世界真空“吸光器”。
黑洞自身不發(fā)光，地理學(xué)家又如安在茫茫世界中尋找到它們呢?假如黑洞與一顆正常恒星組成一個(gè)密近雙星體系，黑洞就會(huì)直接把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過(guò)來(lái)，構(gòu)成吸積盤，宣布明亮的X射線光。這些X射線光好像這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”，便是這一“照”成為地理學(xué)家曩昔這些年追尋黑洞蹤跡的強(qiáng)有力線索。
迄今為止，銀河系中所有恒星級(jí)黑洞都是經(jīng)過(guò)黑洞吸積伴星氣體所宣布的X射線來(lái)辨認(rèn)。曩昔的五十年里，人們用該種辦法發(fā)現(xiàn)了約二十顆黑洞，質(zhì)量均在3到20倍太陽(yáng)質(zhì)量之間。銀河內(nèi)有數(shù)以千億計(jì)的恒星，按照理論猜測(cè)，銀河系中應(yīng)該有上億顆恒星級(jí)黑洞，而在黑洞雙星體系中，可以宣布X射線輻射的只占一小部分。當(dāng)黑洞和它的伴星間隔較遠(yuǎn)時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出安靜溫和的一面，那關(guān)于這些安靜態(tài)(不吸積伴星氣體)的黑洞如何來(lái)搜尋呢?地理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)這顆最大恒星級(jí)黑洞的過(guò)程中給出了全新的答案。
星星在繞“誰(shuí)”運(yùn)動(dòng)?2016年初，LAMOST科學(xué)巡天部主任張昊彤研討員和云南地理臺(tái)韓占文院士提出使用LAMOST觀測(cè)雙星光譜，展開雙星體系的研討方案，并挑選了開普勒一個(gè)天區(qū)中的3000多個(gè)天體進(jìn)行了為期兩年之久的光譜監(jiān)測(cè)。在這其間，有一顆B型星表現(xiàn)出規(guī)律的周期性運(yùn)動(dòng)和不同尋常的光譜特征。這條LAMOST“眼中”的B型星光譜攜帶了十分豐富的信息，除了可以獲取它的有用溫度、表面重力、金屬豐度等重要信息外，光譜中一條近乎靜止且運(yùn)行方向和B型星反相位的明線給這顆星增添了足夠的奧秘感。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這顆特殊B型星背后的真相，研討人員隨即申請(qǐng)了西班牙10.4米加納利大望遠(yuǎn)鏡的21次觀測(cè)和美國(guó)10米凱克望遠(yuǎn)鏡的7次高分辨率觀測(cè)，進(jìn)一步確認(rèn)了B型星的性質(zhì)。依據(jù)光譜信息，研討人員計(jì)算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽(yáng)豐度，質(zhì)量約為8倍太陽(yáng)質(zhì)量，年紀(jì)約為35百萬(wàn)年，間隔咱們1.38萬(wàn)光年，并計(jì)算出該雙星體系中存在一個(gè)質(zhì)量約為70倍太陽(yáng)質(zhì)量的不可見天體，它只能是黑洞。為了紀(jì)念LAMOST在發(fā)現(xiàn)這顆巨大恒星級(jí)黑洞上作出的奉獻(xiàn)，地理學(xué)家給這個(gè)包括黑洞的雙星體系命名為L(zhǎng)B-1。與其他已知的恒星級(jí)黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測(cè)中被探測(cè)到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠(yuǎn)(1.5倍日地間隔)。研討人員用錢德拉X射線地理臺(tái)對(duì)該源進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞對(duì)其伴星吸積十分弱小，是一個(gè)“安靜溫和”的恒星級(jí)黑洞界“冠軍”。
從2015年起，美國(guó)激光干與引力波地理臺(tái)(LIGO)及歐洲室女座引力波地理臺(tái)(Virgo)的引力波觀測(cè)試驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，質(zhì)量遠(yuǎn)高于先前已知的銀河系里的恒星級(jí)黑洞。而研討人員發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽(yáng)質(zhì)量的超級(jí)黑洞不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級(jí)黑洞，一起刷新了人類關(guān)于恒星級(jí)黑洞質(zhì)量范圍的認(rèn)知。目前恒星演化模型只允許在太陽(yáng)金屬豐度下構(gòu)成最大為25倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，因而，LB-1中黑洞的質(zhì)量已經(jīng)進(jìn)入了現(xiàn)有恒星演化理論的“禁區(qū)”。
“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就
這顆 “黑洞之王”的發(fā)現(xiàn)充沛證實(shí)了LAMOST望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)壯的光譜獲取才能。LAMOST具有4000顆眼睛(4000根光纖)，一次能觀測(cè)近4000個(gè)天體。2019年3月，LAMOST揭露發(fā)布了1125萬(wàn)條光譜，成為全球首個(gè)突破千萬(wàn)的光譜巡天項(xiàng)目，被地理學(xué)家譽(yù)為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。
從2016年11月開端，為了發(fā)現(xiàn)和研討光譜雙星，研討人員使用LAMOST對(duì)開普勒一個(gè)天區(qū)的3000多顆恒星歷時(shí)兩年進(jìn)行了26次觀測(cè)，累計(jì)曝光時(shí)刻約40小時(shí)。假如使用一架普通四米望遠(yuǎn)鏡專門來(lái)尋找這樣一顆黑洞(一年觀測(cè)365天，每天觀測(cè)8小時(shí))，相同的幾率下，則需要40年的時(shí)刻，這充沛表現(xiàn)出LAMOST超高的觀測(cè)效率。
這顆迄今為止最大質(zhì)量的恒星級(jí)黑洞，也是LAMOST發(fā)現(xiàn)的第一顆黑洞，這一效果也為地理學(xué)家供給了一種使用LAMOST巡天優(yōu)勢(shì)尋找黑洞的新辦法。
