2019年11月28日凌晨《Nature》發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)劉繼峰、張昊彤研究團(tuán)隊(duì)關(guān)于“發(fā)現(xiàn)最大恒星級(jí)黑洞，超過70倍太陽質(zhì)量”的科學(xué)研究成果，利用我國(guó)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），發(fā)現(xiàn)了在現(xiàn)有理論禁區(qū)內(nèi)的黑洞，并且提供了一種新的尋找黑洞的方式！
黑洞是大家最熟悉不過的概念，自1916年大神史瓦西從愛因斯坦的廣義相對(duì)論引力場(chǎng)公式中推導(dǎo)出史瓦西度規(guī)，也就是天體坍縮成黑洞的理論基礎(chǔ)，當(dāng)然現(xiàn)實(shí)理論這種不自轉(zhuǎn)，不帶電荷的黑洞是不存在的，但這為天文界提供了一種新的天體理論。
天鵝座X-1是一個(gè)銀道面上著名的X射線源，它在1964年的一次探空火箭X射線觀測(cè)時(shí)被發(fā)現(xiàn)，早期天文學(xué)家并不清楚這個(gè)位置為什么會(huì)發(fā)出強(qiáng)X射線，也不知道這是一個(gè)什么樣的天體。但后來發(fā)現(xiàn)X-1是一個(gè)雙星系統(tǒng)，一顆編號(hào)為HD 226868的藍(lán)超巨星與一顆看不見致密天體互相公轉(zhuǎn)。
根據(jù)對(duì)HD 226868恒星的光譜觀測(cè)發(fā)現(xiàn)（引力紅移），推算出了它的軌道周期與質(zhì)量，繼而測(cè)算出這可看不見的致密天體質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的14.8倍，根據(jù)史瓦西度規(guī)，這可看不見的致密天體選項(xiàng)只能是一個(gè)黑洞，這是在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞候選天體。
一般認(rèn)為恒星型黑洞是25-30倍太陽質(zhì)量以上的恒星在末期引力坍縮形成的黑洞，尚未經(jīng)歷黑洞合并等過程，僅僅通過吞噬物質(zhì)來獲得質(zhì)量增長(zhǎng)的黑洞。
恒星級(jí)黑洞：3~100個(gè)太陽質(zhì)量之間；
中等質(zhì)量黑洞：100~10萬個(gè)太陽質(zhì)量；
超大質(zhì)量黑洞：幾十萬倍太陽質(zhì)量，甚至上百萬倍太陽質(zhì)量
一般在引力坍縮過程中會(huì)伴隨著超新星爆發(fā)，因此很多朋友會(huì)認(rèn)為黑洞是在超新星爆炸中形成的，但其實(shí)這是一個(gè)誤解，要糾正這個(gè)觀念，我們先來了解下超新星爆發(fā)的簡(jiǎn)單過程。
超新星爆發(fā)有很多種，我們只簡(jiǎn)單介紹下核坍縮型超新星爆發(fā)，因?yàn)樵谶@種條件會(huì)形成中子星或者黑洞。大質(zhì)量恒星的生命最后階段，核心已經(jīng)形成鐵元素，無法再提供對(duì)抗外殼重壓的輻射壓，此時(shí)核心的坍縮即刻將會(huì)開始。
核心崩潰是除了Ia型超新星以外所有超新星的爆發(fā)原因，有幾種機(jī)理會(huì)解釋核心坍縮的過程：
電子捕獲
超越錢德拉塞卡極限
成對(duì)不穩(wěn)定
是光致蛻變
當(dāng)恒星內(nèi)核發(fā)展到鐵核，此時(shí)外殼將相內(nèi)核坍縮，速度將達(dá)到光速的20%，泡利不相容的電子簡(jiǎn)并壓無法抵抗已經(jīng)超越錢德拉塞卡極限的核心質(zhì)量，核心將坍縮成中子星或者黑洞(25-30倍太陽質(zhì)量將直接坍縮為黑洞)。
簡(jiǎn)并態(tài)的核心坍縮時(shí)將會(huì)爆發(fā)光致蛻變和電子捕獲的β衰變，這是伴隨超新星爆發(fā)電中微子流的理論基礎(chǔ)，如果內(nèi)核質(zhì)量超過15個(gè)太陽以上，那么此次超新星爆發(fā)可能不會(huì)發(fā)生，直接坍縮成黑洞！
另外一些超大質(zhì)量的恒星內(nèi)部過程則更復(fù)雜，因?yàn)槌筚|(zhì)量恒星并不一定會(huì)演化到鐵核，比如40-60M☉的恒星，會(huì)經(jīng)歷核數(shù)次坍縮，而60–130 M☉的恒星則可能在某次坍縮中達(dá)到重元素的瞬間聚變和成為一顆超新星，比較有意思的是恒星的質(zhì)量和超新星爆發(fā)的亮度和規(guī)模并沒有直接聯(lián)系，反而在內(nèi)核能形成鎳-56的中等質(zhì)量恒星會(huì)導(dǎo)致更明亮和持久的超新星爆發(fā)。
簡(jiǎn)單的說恒星型黑洞就是恒星在超新星爆發(fā)過程中或者不經(jīng)歷超新星爆發(fā)形成的恒星，尚未經(jīng)歷黑洞合并等過程，其質(zhì)量增長(zhǎng)是通過吞噬雙星中的另一顆恒星物質(zhì)完成。
恒星級(jí)黑洞形成時(shí)質(zhì)量并不高，根據(jù)以往的理論最多也就數(shù)倍最多二十五倍太陽質(zhì)量以下，這個(gè)質(zhì)量級(jí)別的黑洞吸積盤形成的X射線輻射非常微弱，如果不是近距離且有伴星讓其肆意吞噬物質(zhì)的話，比如X-1這樣質(zhì)量的黑洞，我們是很難發(fā)現(xiàn)的。
1964年X-1黑洞的發(fā)現(xiàn)給了天文界一個(gè)新的黑洞發(fā)現(xiàn)理論，即通過觀測(cè)伴星的光譜來發(fā)現(xiàn)黑洞的蛛絲馬跡，這計(jì)劃看上去很美，但需要獲取大量恒星的光譜，這對(duì)于一次觀測(cè)只能獲取數(shù)條光譜的當(dāng)時(shí)來說簡(jiǎn)直就不可能！
LAMOST是專門為獲取恒星的光譜而生，在LAMOST的焦平面上，密密麻麻的排布了4000條光纖，當(dāng)聚焦完成后，這4000條光纖會(huì)通過伺服機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)每一顆恒星，理論上每次都能獲得4000條光譜，從落成到今天為止，LAMOST已經(jīng)獲取超過千萬級(jí)別的恒星光譜。
劉繼峰、張昊彤的團(tuán)隊(duì)從2016年期，在兩年半的時(shí)間里對(duì)天區(qū)中的3000顆恒星進(jìn)行了26次觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了LB-1這顆B型星的吸收線的異常，可見的伴星運(yùn)動(dòng)揭示其可能是黑洞。
通過分析其發(fā)射光譜發(fā)現(xiàn)了黑洞吸積盤運(yùn)動(dòng)，根據(jù)恒星的光譜變化推算出兩者的運(yùn)動(dòng)方式，繼而計(jì)算出這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為68+11-13M☉，這個(gè)質(zhì)量遠(yuǎn)超早先發(fā)現(xiàn)的恒星型黑洞質(zhì)量上限。
這是一個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)，這讓天文學(xué)家頗為驚喜，喜的是又有了新的大發(fā)現(xiàn)，驚的是又要改寫模型了，這將牽涉到一大批恒星和黑洞演化理論需要修改。不過可以確信LB-1并不是誕生就那么大，這也是研究雙星演化的意義，因?yàn)楹诙吹恼Q生以及雙星中另一顆恒星演化到巨星時(shí)代的質(zhì)量被大量吞噬，都是LB-1質(zhì)量增長(zhǎng)的重要原因！
也許劉繼峰、張昊彤的團(tuán)隊(duì)未來的黑洞獵手計(jì)劃會(huì)有進(jìn)一步的偉大發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)，我們希望挑戰(zhàn)極限這樣的發(fā)現(xiàn)一再發(fā)生，當(dāng)然種花家作為圍觀群眾是不嫌事大的！
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