颠覆认知！中国科学家发现迄今最大黑洞，远超理论预言的质量上限

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、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，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。

黑洞是一种本身不发光、密度非常大的神秘天体。它具有超强吸引力，任何物质，包括速度最快的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、中等质量黑洞和超大质量黑洞。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”。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射线来识别的，质量均小于20个太阳质量的黑洞。

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。

2016年秋季开始，以国家天文台为首的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究，历时两年半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，一颗质量是太阳八倍的蓝色恒星，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米加纳利大望远镜和美国10米凯克望远镜，进一步确认了LB-1的光谱性质，计算出该黑洞的质量是太阳的70倍。值得一提的是，在两年半的监测时间里，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——这充分体现出郭守敬望远镜超高的观测效率。

目前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。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”。美国激光干涉引力波天文台（LIGO）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”。接下来利用LAMOST极高的观测效率，天文学家有望再发现一大批深藏不露的“平静态”黑洞,开创黑洞批量发现的新纪元。

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。本研究共包括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29家单位。

网友评论：

网友纷纷感慨“虽然不太懂，但还是要为中国科学家点赞”

延伸阅读：

NASA绘制黑洞图像 网友：究竟是先有黑洞，还是先有星系？

NASA绘制黑洞图像高清动图揭秘黑洞背后的故事，人类历史上第一幅黑洞照片的诞生，是科学史上的一次壮举，但是实现难度极大，最后得到的图像分辨率相对较低。科学和技术是不断进步的，科学家预计，未来我们可能看到黑洞的直接图像质量，会随着时间的推移而显著改善。

本周，美国国家航空航天局（NASA）为“黑洞周”活动特意制作了新的黑洞超高分辨率的图片，“美哭了”的图片背后，是人类对未来科学技术进步的无限期许。

超大质量黑洞位于大多数大型星系的中心，关于这些黑洞如何到达星系中心的问题，目前在宇宙学上还是一个谜。而究竟是先有黑洞，还是先有星系，是宇宙学中的一大问题。我们所知道的是，黑洞确实很大，相当于太阳质量的数百万倍到数十亿倍。如此大的质量让，它们可以控制恒星的形成。

实际上，黑洞的第一个模拟图像是用上世纪60年代的IBM 7040打孔计算机计算出来的，法国天体物理学家让·皮埃尔·鲁米内特（Jean-Pierre Luminet）于1978年手工绘制，看起来和NASA的模拟图像很像。

在两个模拟中，图像中间都有一个黑圈。即事件视界，在该点电磁辐射（光，无线电波，X射线等）无法从黑洞的引力中获得逃逸速度。

整个黑洞的中间是圆盘状材料的前部，它围绕黑洞旋转，就像水进入排水管一样。由于高速旋转产生的剧烈摩擦生成大量辐射，可以用望远镜观测到。这正是M87黑洞图片中看到的那部分。从模拟图像上还可以看到事件视界周围的完美光环。黑洞周围有大片光线。这实际上是从吸积盘黑洞后面的部分发出的；由于黑洞的引力太强，导致即使在事件视界之外，也能使时空扭曲，并弯曲黑洞周围的光路，导致这部分光线也能被观测到。

从这张图上看，吸积盘的一侧比另一侧更亮，这是由于旋转引起的。朝我们移动的部分更亮，因为它朝我们以接近光速，会使光的波长发生频率变化。这就是“多普勒效应”。反之，远离我们的那一侧显得比较暗淡。

NASA惊艳模拟图像有助于了解围绕超大质量黑洞内部的极端物理现象，有了这些超高分辨率的图片，再看M87的“实拍图”，是不是感觉懂得更多了？Luminet去年在一篇论文中写道：“这种明显的光度不对称性是黑洞的主要特征，黑洞是唯一能够使吸积盘内部区域的旋转速度接近光速的天体，可以产生强烈的多普勒效应。”

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