中國天文學家發現迄今最大恆星級黑洞，獵手計劃欲五年找到近百黑洞
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兩天時間洞見未來五年
在我們的銀河系後花園，中國天文學家發現了迄今為止質量最大的恆星級黑洞，其質量相當於 70 個太陽。
2019 年 11 月 28 日凌晨，《自然》發布了中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究團隊的這項重大發現。他們依託我國自主研製的郭守敬望遠鏡（LAMOST），發現了這個迄今為止質量最大的恆星級黑洞，遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，從而有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。
這項工作是基於 LAMOST（中國興隆）、迦納利大望遠鏡（西班牙迦納利群島）、凱克望遠鏡（美國夏威夷）和錢德拉 X 射線天文台（美國）的觀測數據完成的。本研究共包括 55 位作者，來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、義大利、波蘭和荷蘭 7 個國家 28 家單位。
更重要的是，通過本次發現所形成的尋找黑洞新方法，未來將有更大的發揮空間。劉繼峰告訴 DeepTech，國家天文台即將發起黑洞獵手計劃，預計在五年內發現並測量近百個黑洞，對於這個目標，「我們有信心」。
黑洞「冠軍」發現記
根據理論預測，我們的銀河系中有上億顆恆星級黑洞。
圖 | LB-1的藝術想像圖 (來源：喻京川繪)
黑洞按照質量劃分，一般分為恆星級黑洞（100 倍太陽質量以下）、中等質量黑洞（100-10 萬倍太陽質量）和超大質量黑洞（10 萬倍太陽質量以上）。
其中，恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的「居民」。一顆恆星演化到最後如果剩下的質量太多，大於 3 倍太陽質量，就既不能形成白矮星，也不能成為中子星，它一旦進入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止其在終極引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。
但迄今為止，天文學家僅在銀河系發現了約 20 顆恆星級黑洞。為什麼會這麼少呢？
主要由於黑洞這種神秘天體，本身不發光，密度非常大，相當於把 10 倍於太陽質量的恆星壓縮到直徑為北京六環大小的球體中。黑洞還具有超強的吸引力，任何從其身邊經過的物質，就連速度最快的光也無法逃離。
人類發現黑洞的手段也很有限。通過引力波實驗聆聽時空的漣漪，可以推知雙黑洞併合事件，但這僅適用於稀少的雙黑洞；此外，可以通過監測明亮伴星的運動推知黑洞存在並測量黑洞質量，這需要黑洞吸積盤 X 射線指引，但是只有極少數能產生 X 射線輻射。
迄今為止，銀河系中幾乎所有的恆星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的 X 射線來識別的。過去的 50 年中，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。實際上，這個方法在大多數時間不好使，例如在黑洞雙星系統中，能夠發出 X 射線輻射的只佔一小部分。
2016 年秋季開始，國家天文台領導的研究團隊利用 LAMOST 開展雙星課題研究，在兩年里，監測了一個小天區內 3000 多顆恆星。
在一個 X 射線輻射寧靜的雙星系統中，一顆「走位拉風」的 B 型星引起了研究人員的關注，這顆星表現出規律地周期性運動和不同尋常的光譜特徵。
研究人員懷疑這顆 B 型星背後一定有故事，它到底在繞著看不見的「誰」運動? 莫非是黑洞！
為了進一步驗證真相，研究人員隨即申請了西班牙 10.4 米迦納利大望遠鏡（GTC）的 21 次觀測和美國 10 米凱克望遠鏡（Keck）的 7 次高解析度觀測，進一步確認它是 B 型星。
根據光譜信息，研究人員計算出 B 型星的金屬丰度約為 1.2 倍太陽丰度，質量約為 8 倍太陽質量，年齡約為 35 百萬年，距離我們 1.4 萬光年。根據 B 型星和Hα發射線的速度振幅之比，研究人員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，它只能是黑洞。
為了紀念 LAMOST 在發現這顆巨大恆星級黑洞上做出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為 LB-1。
與其他已知的恆星級黑洞不同，LB-1 從未在任何 X 射線觀測中被探測到，這個黑洞和它的伴星相距較遠。
研究人員用美國錢德拉 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」的恆星級黑洞「冠軍」。
進入理論「禁區」
目前恆星演化理論預言，在太陽金屬丰度下只能形成最大為 25 倍太陽質量的黑洞。這顆新發現黑洞的質量達到 70 倍太陽質量，已經進入了現有恆星演化理論的「禁區」。
據劉繼峰分析稱，這可能意味著有關恆星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。
LB-1中的黑洞或許不是由一顆恆星坍縮形成的。研究人員猜想，LB-1 最初是一個三體系統，觀測到的 B 型星位於最外軌道，是質量最小的組成部分，而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞併合而成。在這種情形下，該系統將是黑洞併合事件的絕佳候選體，並為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。
由於對現有理論的巨大挑戰，三年來，研究團隊反覆檢查、推敲，經歷了無比嚴格的審稿過程。劉繼峰稱，「Nature 審稿人提了巨多的問題」。
LIGO 台長大衛·雷茨評論，「在銀河系內發現 70 倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恆星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年里美國激光干涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興」。
在這項研究中，LAMOST 在兩年里共做了 26 次觀測，累積曝光時間約 40 個小時。
劉繼峰表示，同樣是 4 米的有效通光口徑，如果利用一架普通望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，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。
圖 | LB-1 和引力波併合事件、X 射線方法發現的黑洞的質量分布
在發布會上，劉繼峰宣布將啟動黑洞獵手計劃，預計五年內發現並測量近百個黑洞。
這個目標是不是過於激進了？劉繼峰告訴 DeepTech，「首個黑洞用時這麼長，是要建立方法論，現在有方法論了，主要看觀測能力。目前資源已經就緒了。」據悉，目前國內外的多個團隊都熱心地參與其中，貢獻出觀測時間。
現在，LAMOST 開始監測四個其他天區。利用 LAMOST 極高的觀測效率，天文學家有望發現一大批「深藏不露」的黑洞，開創批量發現黑洞的新紀元。
小資料：雙星系統與黑洞
恆星和與之相對應的星系誕生於宇宙中的塵埃團（比如各種星雲），而當一顆質量大於約 1.5 倍太陽質量的恆星在迎來其生命的終結時，便會演變為中子星或黑洞，一般質量小於 2 到 3 倍太陽質量的恆星會演變為中子星，而質量超出這一範圍的恆星則會由於構成其的中子與中子間作用力不再能抵抗強大引力所造成的向內塌陷，最終變成黑洞。
由於黑洞本身的物理性質，黑洞的本體對我們來說是不可見的，因此，我們便只能通過觀測與之相互作用的周邊天體來判斷某一區域中是否存在黑洞，並計算包括其質量在內的各種信息，而在所有的天體系統中，雙星系統（內有兩顆恆星互相繞對方運動）當屬在對黑洞的觀測難度上較低的一類。
一般來說，正常的觀測操作可被大體分為五步，首先，在確定一個雙星系統為研究對象後，科學家們需要通過足量的觀測確定該系統的軌道周期，然後對雙星系統內的可見恆星的光譜進行研究，利用多普勒效應確定可見恆星的軌道速度和軌道半徑，並以此對可見恆星的質量進行估計，然後再用綜合以上信息算出的系統總質量減去可見恆星的估計質量得出不可見星的質量，最後將結果與現有恆星演化理論所給出的數據進行比較，一般計算結果如果大於 3 倍太陽質量該不可見星就可被認為是黑洞，而小於三倍太陽質量的則有可能是中子星。
歷史上比較著名的兩個例子是 Cygnus X-1 和 V404 Cygni，其中 Cygnus X-1 由於被觀測到有強 X 射線被射出（一般在周圍物質落入黑洞時會被不斷加速並被撕碎進而發生電離，放出 X 射線），早在 1972 年就被劃為是存在黑洞的候選系統之一，科學家們在隨後對該系統中可見藍巨星（質量約為 25 倍太陽質量）的觀測中，通對觀測數據進行分析，用上述方法得出該系統中的不可見星質量高達約 8 到 10 倍太陽質量，遠超中子星的質量範圍，因此被許多天文學家認為該系統中的不可見星的本體可能就是一個黑洞。
而 V404 Cygni 則是 X 射線放射強度不均衡的系統代表，科學家們通過對其進行長期跟蹤觀測，終於在 1989 年觀測到因突然吸入大量物質而放出的高強 X 射線（約為該系統正常數值的 200 倍），並結合此前的觀測信息，算出該系統內拋去重約 12 倍太陽質量的可見星，其內的不可見星質量約為 8 到 15.5 倍太陽質量，因此很可能是一個黑洞。
而此次我國科研團隊用 LAMOST 所發現的這顆雙星系統內的"黑洞"在質量上遠超所有已知類似系統內的黑洞質量，而該黑洞存在的事實也無疑將能幫助科學家們更好地完善我們現有的恆星演變理論，甚至是提出新的假設。
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