依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），中國科學院國家天文台研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恒星級黑洞，并提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，颠覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。這一成果28日在國際權威學術期刊《自然》發表。

△ LB-1的藝術想象圖

黑洞是一種本身不發光、密度非常大的神秘天體。它具有超強吸引力，任何物質，包括速度最快的光也無法從它身邊逃離。根據質量的不同，黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。這其中，恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。理論預言銀河系中有上億顆恒星級黑洞，但迄今為止，天文學家僅在銀河系發現了約20顆恒星級黑洞——而且都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識别的，質量均小于20個太陽質量的黑洞。找到新的方法，發現數量巨大、沒有X射線輻射的黑洞，成了天文學界近年來研究的熱點和難點。

2016年秋季開始，以國家天文台為首的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，曆時兩年半監測了一個小天區内3000多顆恒星。結果發現，在一個X射線輻射甯靜的雙星系統（LB-1）中，一顆質量是太陽8倍的藍色恒星，圍繞“一個看不見”的天體做着周期性運動。不同尋常的光譜特征表明，那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。研究人員随即進行了“确認”：他們通過西班牙10.4米加納利大型望遠鏡和美國10米凱克望遠鏡，進一步确認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量是太陽的70倍。

目前恒星演化模型隻允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞。這顆新發現黑洞的質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）台長大衛·雷茨評論，“在銀河系内發現70倍太陽質量的黑洞，将迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，将與過去四年裡美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）探測到的雙黑洞并合事件一起，推動黑洞天體物理研究的複興”。

△LB-1和引力波并合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布

宇宙吸光器
霍金在其最後的著作《十問》中寫道，“事實有時候比小說更奇妙，黑洞最能真實地體現這一點，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論，德國物理學家卡爾·史瓦西推導出了愛因斯坦場方程式的一個精确解，預示了黑洞的存在。自此人類就沒有停止過對這種神秘天體的想象和探索。1964年，天鵝座X-1因其強X射線輻射成為第一顆被發現的黑洞候選體；2015年，首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據；2019年，天文學家曆時10年利用四大洲八個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據——首張黑洞“芳容”，讓這個曾經“看不見摸不着”的詭異天體有了一絲親和力。黑洞到底是什麼，為何讓一代代天文學家為之如此着迷？本身不發光，密度非常大，具有超強的吸引力，任何從其身邊經過的物質，就連速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。因此可以說，黑洞是名副其實的宇宙真空“吸光器”。

黑洞本身不發光，天文學家又如何在茫茫宇宙中尋找到它們呢？如果黑洞與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統，黑洞就會直接把恒星伴星上的氣體物質吸過來，形成吸積盤，發出明亮的X射線光。這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的“回光返照”，就是這一“照”成為天文學家過去這些年追尋黑洞蹤迹的強有力線索。

迄今為止，銀河系中所有恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識别。過去的50年裡，人們用該種方法發現了約20顆黑洞，質量均在3到20倍太陽質量之間。銀河内有數以千億計的恒星，按照理論預測，銀河系中應該有上億顆恒星級黑洞，而在黑洞雙星系統中，能夠發出X射線輻射的隻占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時，也會表現出平靜溫和的一面，那對于這些平靜态（不吸積伴星氣體）的黑洞如何來搜尋呢？天文學家在發現這顆最大恒星級黑洞的過程中給出了全新的答案。

△黑洞吸積噴射出X射線的藝術想象圖

星星在繞“誰”運動？
2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文台韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統的研究計劃，并選擇了開普勒一個天區中的3000多個天體進行了為期兩年之久的光譜監測。在這其中，有一顆B型星表現出規律的周期性運動和不同尋常的光譜特征。這條LAMOST“眼中”的B型星光譜攜帶了非常豐富的信息，除了可以獲取它的有效溫度、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行方向和B型星反相位的明線給這顆星增添了足夠的神秘感。

為了進一步驗證這顆特殊B型星背後的真相，研究人員随即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測，進一步确認了B型星的性質。根據光譜信息，研究人員計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質量約為8倍太陽質量，年齡約為35百萬年，距離我們1.38萬光年，并計算出該雙星系統中存在一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體，它隻能是黑洞。

為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恒星級黑洞上作出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1。與其他已知的恒星級黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離）。研究人員用錢德拉X射線天文台對該源進行觀測，發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個“平靜溫和”的恒星級黑洞界“冠軍”。

從2015年起，美國激光幹涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高于先前已知的銀河系裡的恒星級黑洞。而研究人員發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞不僅揭示了銀河系内也存在此類大質量恒星級黑洞，同時刷新了人類對于恒星級黑洞質量範圍的認知。目前恒星演化模型隻允許在太陽金屬豐度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恒星演化理論的“禁區”。

“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就

這顆 “黑洞之王”的發現充分證實了LAMOST望遠鏡強大的光譜獲取能力。LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。

從2016年11月開始，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST對開普勒一個天區的3000多顆恒星曆時兩年進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。如果利用一架普通四米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞（一年觀測365天，每天觀測8小時），同樣的幾率下，則需要40年的時間，這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。

這顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，也是LAMOST發現的第一顆黑洞，這一成果也為天文學家提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。

△LAMOST望遠鏡與星空圖

（央視記者 帥俊全）

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