顛覆認知！中國科學家發現迄今最大黑洞，遠超理論預言的質量上限

北京時間2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發布了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。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），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，顛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。

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射線來識別的，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，以國家天文臺為首的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時兩年半監測了一個小天區內3000多顆恒星。結果發現，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統（LB-1）中，一顆質量是太陽八倍的藍色恒星，圍繞“一個看不見”的天體做著周期性運動。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。研究人員隨即進行了“確認”：他們通過西班牙10.4米加納利大望遠鏡和美國10米凱克望遠鏡，進一步確認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量是太陽的70倍。值得一提的是，在兩年半的監測時間里，LAMOST共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。劉繼峰表示，如果利用一架普通四米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——這充分體現出郭守敬望遠鏡超高的觀測效率。

目前恒星演化模型只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”。美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）臺長大衛·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恒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臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（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復興”。接下來利用LAMOST極高的觀測效率，天文學家有望再發現一大批深藏不露的“平靜態”黑洞,開創黑洞批量發現的新紀元。

這項工作是基于LAMOST（中國興隆）、加納利大望遠鏡（西班牙加納利群島）、凱克望遠鏡（美國夏威夷）和錢德拉X射線天文臺（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、意大利、波蘭和荷蘭7個國家29家單位。

網友評論：

網友紛紛感慨“雖然不太懂，但還是要為中國科學家點贊”

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NASA繪制黑洞圖像 網友：究竟是先有黑洞，還是先有星系？

NASA繪制黑洞圖像高清動圖揭秘黑洞背后的故事，人類歷史上第一幅黑洞照片的誕生，是科學史上的一次壯舉，但是實現難度極大，最后得到的圖像分辨率相對較低。科學和技術是不斷進步的，科學家預計，未來我們可能看到黑洞的直接圖像質量，會隨著時間的推移而顯著改善。

本周，美國國家航空航天局（NASA）為“黑洞周”活動特意制作了新的黑洞超高分辨率的圖片，“美哭了”的圖片背后，是人類對未來科學技術進步的無限期許。

超大質量黑洞位于大多數大型星系的中心，關于這些黑洞如何到達星系中心的問題，目前在宇宙學上還是一個謎。而究竟是先有黑洞，還是先有星系，是宇宙學中的一大問題。我們所知道的是，黑洞確實很大，相當于太陽質量的數百萬倍到數十億倍。如此大的質量讓，它們可以控制恒星的形成。

實際上，黑洞的第一個模擬圖像是用上世紀60年代的IBM 7040打孔計算機計算出來的，法國天體物理學家讓·皮埃爾·魯米內特（Jean-Pierre Luminet）于1978年手工繪制，看起來和NASA的模擬圖像很像。

在兩個模擬中，圖像中間都有一個黑圈。即事件視界，在該點電磁輻射（光，無線電波，X射線等）無法從黑洞的引力中獲得逃逸速度。

整個黑洞的中間是圓盤狀材料的前部，它圍繞黑洞旋轉，就像水進入排水管一樣。由于高速旋轉產生的劇烈摩擦生成大量輻射，可以用望遠鏡觀測到。這正是M87黑洞圖片中看到的那部分。從模擬圖像上還可以看到事件視界周圍的完美光環。黑洞周圍有大片光線。這實際上是從吸積盤黑洞后面的部分發出的；由于黑洞的引力太強，導致即使在事件視界之外，也能使時空扭曲，并彎曲黑洞周圍的光路，導致這部分光線也能被觀測到。

從這張圖上看，吸積盤的一側比另一側更亮，這是由于旋轉引起的。朝我們移動的部分更亮，因為它朝我們以接近光速，會使光的波長發生頻率變化。這就是“多普勒效應”。反之，遠離我們的那一側顯得比較暗淡。

NASA驚艷模擬圖像有助于了解圍繞超大質量黑洞內部的極端物理現象，有了這些超高分辨率的圖片，再看M87的“實拍圖”，是不是感覺懂得更多了？Luminet去年在一篇論文中寫道：“這種明顯的光度不對稱性是黑洞的主要特征，黑洞是唯一能夠使吸積盤內部區域的旋轉速度接近光速的天體，可以產生強烈的多普勒效應。”

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