我國(guó)天文學(xué)家捕獲“黑洞之王”

　　北京時(shí)間昨天（28日）凌晨，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》發(fā)布了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。依托我國(guó)自主研制的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡，研究團(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。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，顛覆了人們對(duì)恒星級(jí)黑洞形成的認(rèn)知，有望推動(dòng)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(zhì)，包括光也無(wú)法從它身邊逃離。根據(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。恒星級(jí)黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的。理論預(yù)言，銀河系中有上億顆恒星級(jí)黑洞，但迄今為止，天文學(xué)家僅在銀河系發(fā)現(xiàn)了約20顆恒星級(jí)黑洞——而且都是通過(guò)黑洞吸積伴星氣體所發(fā)出的X射線來(lái)識(shí)別的、質(zhì)量均小于20倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。找到新的方法，發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大、沒(méi)有X射線輻射的黑洞，成了天文學(xué)界近年來(lái)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　2016年秋季開(kāi)始，國(guó)家天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用位于河北興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展雙星課題研究，歷時(shí)兩年監(jiān)測(cè)了一個(gè)小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)X射線輻射寧?kù)o的雙星系統(tǒng)LB-1中，一顆8倍太陽(yáng)質(zhì)量的藍(lán)色恒星，圍繞一個(gè)“看不見(jiàn)的天體”做著周期性運(yùn)動(dòng)。不同尋常的光譜特征表明，那個(gè)“看不見(jiàn)的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員隨即進(jìn)行了“確認(rèn)”：他們通過(guò)西班牙10.4米口徑加納利大望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)10米口徑凱克望遠(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)量大約是太陽(yáng)的70倍。

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

　　美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)從2015年起，通過(guò)探測(cè)引力波的方法發(fā)現(xiàn)了數(shù)十倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞；2017年，雷納·韋斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)的建造和引力波探測(cè)方面的貢獻(xiàn)被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)大衛(wèi)·雷茨評(píng)論表示，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，將使天文學(xué)家改寫(xiě)恒星級(jí)黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過(guò)去四年里美國(guó)激光干涉引力波天文臺(tái)及歐洲室女座引力波天文臺(tái)探測(cè)到的雙黑洞并合事件一起，推動(dòng)黑洞天體物理研究的復(fù)興。接下來(lái)，利用郭守敬望遠(yuǎn)鏡極高的觀測(cè)效率，天文學(xué)家有望發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的黑洞,開(kāi)創(chuàng)批量發(fā)現(xiàn)黑洞的新紀(jì)元。 本報(bào)記者 張航

　　郭守敬

　　望遠(yuǎn)鏡

　　位于中科院國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站，是中科院國(guó)家天文臺(tái)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，為一架視場(chǎng)為5度橫臥于南北方向的中星儀式反射施密特望遠(yuǎn)鏡。它于2008年10月落成，并在2009年6月順利通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，之后被命名為 “郭守敬望遠(yuǎn)鏡”。它是世界上光譜獲取率最高的望遠(yuǎn)鏡，使我國(guó)天文學(xué)在大規(guī)模光學(xué)光譜觀測(cè)、大視場(chǎng)天文學(xué)研究上，居于國(guó)際領(lǐng)先的地位。

　　黑洞研究史

　　黑洞本身是一個(gè)引力非常強(qiáng)的天體，要追溯黑洞的歷史，就要追溯到人們對(duì)萬(wàn)有引力的認(rèn)識(shí)。17世紀(jì)，牛頓寫(xiě)下萬(wàn)有引力公式。在此基礎(chǔ)之上，牛頓得到了人們所熟知的逃逸速度公式。

　　■18世紀(jì)

　　法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯想象在宇宙當(dāng)中有可能會(huì)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(lái)。現(xiàn)在看來(lái)這是最樸素的對(duì)于黑洞的一種想法。

　　■19世紀(jì)

　　更多科學(xué)家的觀測(cè)對(duì)于牛頓的理論提出了一些挑戰(zhàn)。

　　■20世紀(jì)初

　　愛(ài)因斯坦首先提出了狹義相對(duì)論，十年之后又提出了廣義相對(duì)論，對(duì)引力提出了顛覆性的認(rèn)識(shí)。

　　德籍物理學(xué)家史瓦西得到了精確的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程解，這就是“沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞的史瓦西解”。

　　■20世紀(jì)30年代末

　　美國(guó)的原子彈之父奧文海默和他的學(xué)生得到了一種學(xué)說(shuō)：恒星在死亡塌縮的時(shí)候有可能塌縮成一個(gè)致密的奇點(diǎn)，并且推導(dǎo)出了這個(gè)質(zhì)量的下限，3.2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量左右。

　　■20世紀(jì)60年代

　　黑洞的研究迎來(lái)了兩項(xiàng)突破性進(jìn)展：1963年新西蘭的數(shù)學(xué)家羅伊·克爾精確得到了愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的帶有旋轉(zhuǎn)黑洞的精確解。1964年，用觀測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了第一顆恒星級(jí)的黑洞。

　　一大批天文學(xué)家、物理學(xué)家投身于該領(lǐng)域。相對(duì)論物理大師約翰·惠勒命名了黑洞。霍金進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了所謂的霍金輻射，改變了之前經(jīng)典廣義相對(duì)論對(duì)于黑洞的認(rèn)識(shí)。

　　■目前

　　科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了非常多的黑洞。在銀河系中，按照理論，還應(yīng)該存在著上億個(gè)恒星量級(jí)的黑洞。

　　原文作者：中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍

　　節(jié)選自光明日?qǐng)?bào)