中國青年報 ·中國青年網記者 邱晨輝
物理學家 ·霍金在他死后的著作《十個問題》中寫道：“事實有時比小說更奇妙，而黑洞是最真實的例證，比科幻小說作家所能想象的任何東西都更奇妙。”
現在，我們已經有了關于黑洞的最新發現。
北京時間11月28日凌晨留學之路，國際學術期刊《自然》在線發布了一則由中國天文學家領銜的重大發現：中國科學院國家天文臺研究員劉繼峰、張浩桐領銜的研究團隊，發現了迄今為止質量最大的恒星級黑洞， 其質量是太陽的70倍，遠遠超過理論預測的質量上限，堪稱“黑洞之王”，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知。
雙星系統LB-1的藝術想象，于景川插畫
郭守京望遠鏡和中國的星空，由中國科學院國家天文臺提供
一個讓天文學家又愛又恨的黑洞
1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程的精確解，預言了黑洞的存在。從那時起，人類就從未停止過對這個神秘天體的想象和探索。
1965年，天鵝座X-1因其強烈的X射線輻射而成為第一個被發現的候選黑洞;2015年，引力波首次被探測到，為黑洞的存在提供了更具體的證據;2019年，天文學家花了10年時間，利用四大洲的8個觀測點，捕捉到了黑洞的視覺證據——第一個黑洞“面孔”，給這個曾經“看不見摸不著”的奇異物體帶來了一絲親和力。
黑洞到底是什么，為什么它們讓幾代天文學家著迷？根據劉繼峰的說法，黑洞本身并不發光，它們的密度非常大——如果把一顆質量是太陽質量10倍的恒星壓縮成一個北京六環大小的球體，這么大的密度相當于一個黑洞的密度，具有超強的吸引力。結果，任何試圖從黑洞中“溜走”的物質都會失敗，即使是最快的光也無法逃脫。
根據黑洞的質量，天文學家大致將黑洞分為恒星黑洞——低于太陽質量的100倍，中等質量黑洞——太陽質量的100-100,000倍，以及超大質量黑洞——質量超過太陽質量的100,000倍。恒星黑洞是由大質量恒星的死亡形成的，是宇宙中廣泛的“居民”。
然而，黑洞本身并不發光，那么天文學家如何在浩瀚的宇宙中找到它們呢？劉繼峰告訴記者，如果一個黑洞和一顆正常恒星組成一個緊密的雙星系統，黑洞就會露出其猙獰的爪牙，以強烈的“胃口”直接吸附恒星伴星上的氣態物質，形成一個吸積盤，發出明亮的X射線。這些X射線，就像物質在被黑洞吞噬之前“回歸光明”一樣，是“反射”，多年來已成為天文學家追蹤黑洞痕跡的有力線索。
迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星黑洞都是通過黑洞從X射線中吸積伴生氣體來識別的。
據劉說，在過去的50年里，使用這種方法已經發現了大約20個黑洞，所有這些黑洞的質量都在太陽質量的3到20倍之間。銀河系中有數千億顆恒星，根據理論預測，銀河系中應該有數以億計的恒星黑洞，而只有一小部分黑洞雙星系統能夠發射X射線輻射。
“當黑洞和它的伴星相距遙遠時，我們的'大肚子'也會展現出平靜溫柔的一面，那么該如何尋找這些平坦而靜止的黑洞呢？”劉繼峰說。
在發現最大的恒星黑洞的過程中，中國天文學家提出了一個全新的答案。
超過700天追逐神秘的星星
2016年初，中國科學院國家天文臺郭守京望遠鏡科學調查部主任張浩通、中科院院士、云南天文臺韓占文提出，利用郭守京望遠鏡觀測雙星光譜， 開展雙星系統研究計劃，選取3000多個天體進行為期兩年的光譜監測。
700多天的追尋之路，不乏艱辛和奇跡。在3000多個天體中德國物理學家卡爾，一顆“走路拉風”的B型恒星引起了研究人員的注意，這顆恒星表現出規律的周期性運動和不尋常的光譜特性。
據劉繼峰團隊成員、中科院大學研究生鄭傳杰介紹，郭守京望遠鏡“眼睛”中的B型恒星光譜攜帶著非常豐富的信息量，除了獲取其有效溫度、表面重力等重要信息外， 金屬性，光譜中的一條亮線，幾乎是靜止的，與B型恒星相反相位運行，為恒星增添了足夠的神秘感。
“這顆B型恒星背后有故事嗎，它是否圍繞著看不見的'誰'移動，它真的是一個黑洞嗎？”“鄭傳杰說。
在追尋宇宙真相的過程中，天文學家從未放過任何一種可能性。
為了進一步驗證這顆特殊的B型恒星背后的真相，中國天文學家立即申請了西班牙10.4米金絲雀望遠鏡的21次觀測，以及美國10米凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測。
根據光譜信息，研究人員計算出，B型恒星的金屬度約為太陽豐度的1.2倍，質量約為太陽質量的8倍，年齡約為3500萬年，距離地球為14,000光年。
劉繼峰告訴記者，研究人員計算出，它后面的看不見的物體——質量大約是太陽的70倍，“它只能是一個黑洞”。
這
B型恒星背后的“大老板”德國物理學家卡爾，被天文學家就這樣挖出來了，這樣的結果無疑讓天文學界感到興奮和驚訝。但正如劉繼峰所說，機遇永遠留給有準備的人，沒有兩年前浩瀚星海的“網”，就不會有今天的“主角”的出現。
據中國科學院國家天文臺高級工程師白忠瑞介紹，為了紀念郭守京望遠鏡在發現這個巨大的恒星黑洞中的貢獻，天文學家將包含黑洞的雙星系統命名為LB-1。
與其他已知的恒星黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中被檢測到，而且這個黑洞離它的伴星很遠。研究人員發現，新發現的黑洞對其伴星的吸積非常微弱，是一個“平靜而溫和”的恒星黑洞“冠軍”。
“光譜之王”和“黑洞之王”相得益彰
事實上，自2015年以來，美國激光干涉引力波觀測實驗（LIGO）和歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）已經發現了質量是太陽數十倍的黑洞，比之前已知的銀河系恒星黑洞要大得多。然而，天文學家發現這個質量為70倍太陽質量的超級黑洞，不僅揭示了銀河系中如此巨大的恒星黑洞的存在，也刷新了人類對恒星黑洞質量上限的認識。
劉繼峰表示，目前的恒星演化模型只允許在太陽的金屬度下形成最大質量為25個太陽質量的黑洞，因此LB-1中的黑洞質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。這可能意味著關于恒星演化形成黑洞的理論將被改寫。
大衛 ·LIGO主任Reitz評論說：“在銀河系內發現一個質量為70個太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恒星質量黑洞的形成模型。這一顯著的結果，以及LIGO和Virgo在過去四年中探測到的雙黑洞合并事件，將推動黑洞天體物理學研究的復興?！?span style="display:none">VkV物理好資源網(原物理ok網)
值得一提的是，這個“黑洞之王”的發現，再次印證了郭守京望遠鏡強大的光譜獲取能力。
據張浩桐介紹，郭守京望遠鏡有4000根光纖，相當于4000根，一次可以觀測近4000個天體。2019年3月，郭守京望遠鏡公開發布1125萬個光譜，成為全球首個超過1000萬個光譜巡天工程，被天文學家譽為世界上光譜獲取率最高的“光譜之王”。
劉繼峰告訴記者，自2016年11月以來，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用郭守京望遠鏡在兩年的時間里對3000多顆恒星進行了26次觀測，累計曝光時間約為40小時。如果用一臺普通的四米望遠鏡來找到這樣一個黑洞——每天8小時，一年365天——那么同樣的幾率將需要40年。
郭守敬望遠鏡幫助天文學家發現了今天的主角“黑洞之王”，而“黑洞之王”的出現也為“光譜之王”——郭守敬望遠鏡增添了更多的精彩。
劉繼峰表示，這個恒星黑洞是迄今為止質量最大的黑洞，也是郭守敬望遠鏡發現的第一個黑洞，它的出現將標志著利用郭守敬望遠鏡測天的優勢，尋找黑洞的新時代的到來，“我相信，'光譜之王'和'黑洞之王'的共同成就將成為一個好兆頭天文學界的故事?！?span style="display:none">VkV物理好資源網(原物理ok網)
他還希望天文學家能夠發現一些隱藏的平面和靜態黑洞，從而逐步揭開這個黑暗“家族”的內幕，在研究黑洞成員的形成演化和質量分布方面邁出具有里程碑意義的一步。
（由教育科學系編輯）。
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