前言：熟悉周星馳電影的朋友們大概還記得一句經典臺詞——「乞丐中的霸主，那是什麼？還是乞丐！」最新發現的LB-1黑洞雖然只有太陽質量的70倍，在所有黑洞中屬於小的，但是在「恆星級」黑洞當中，它是已經觀測到的最大的，無疑是其中的「霸主」，而且遠遠大於先前理論預言的質量上限，因而具有重大的科學意義。這裡，我們跟大家聊聊什麼是恆星級黑洞。
最近，我國科學家又有了世界級的科學發現——北京時間2019年11月28日凌晨，自然科學領域的國際頂尖期刊《自然》在線發布的論文闡述了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究員領導的研究團隊發現的一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞（命名為LB-1），並提供了一種利用我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）的巡天優勢尋找黑洞的新方法。
發表在《自然》上的相關論文截圖（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2）
根據報導，這顆70倍太陽質量的超大恆星級黑洞遠超理論預言的質量上限，科學家認為它已經顛覆了學術界對恆星級黑洞形成的認知，勢必推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。不過很多朋友可能要問了，以前聽說的大黑洞都是多少萬倍甚至多少億倍的太陽質量啊？例如今年夏天曾引發討論的一個距離我們7億光年的霍爾姆15A星系團中的黑洞質量是太陽的400億倍。那麼，最近報導的這個LB-1黑洞只有太陽質量的70倍，怎麼就說「最大」了呢？
其實我們要留意這個描述中的定語——最大的「恆星級」黑洞。也就是說，LB-1黑洞是「恆星級」黑洞當中最大的。熟悉周星馳電影的朋友們大概還記得一句經典臺詞——「乞丐中的霸主，那是什麼？還是乞丐！」如果把所有黑洞放在一起說，恆星級黑洞無疑只能是「小不點」，它們的質量通常只有太陽質量的幾倍到十幾倍，也就是說它們的質量是恆星水平的；LB-1黑洞的質量高達太陽質量的70倍，稱得上是「矮子中的將軍」，恆星級黑洞中的「霸主」——當然，還是恆星級黑洞。今天我們就是來跟大家聊聊所謂的「恆星級黑洞」。
伴星系統中的恆星級黑洞藝術圖（來源：https://vignette.wikia.nocookie.net/space/images/a/a2/Black_hole.jpg/revision/latest?cb=20110801160703）
我們都知道黑洞是宇宙中連光都逃不出其引力的天體。所謂恆星級黑洞（stellar black hole，或 stellar-mass black hole），是由大質量恆星（3倍或更多倍太陽質量）在其生命周期結束時的引力坍縮形成的黑洞。這一過程在觀測上可以由超新星爆炸或伽馬射線爆發來追尋其蹤跡。依據這樣的理論，這樣一個黑洞的質量至少為1.44個太陽質量（錢德拉塞卡極限），而上限往往被認為大約是十幾倍太陽質量。
當太陽這樣擁有巨大質量的恆星「燃燒殆盡」、耗盡其能量的時候，就不可避免的在引力作用下發生坍縮。如果其質量不算很大，坍縮成白矮星或中子星這樣的緻密天體，其作用力就可以與引力平衡，停止坍縮；但超過臨界值質量的天體就會在坍縮下形成黑洞。
從廣義相對論來講，理論上可以存在任何質量的黑洞，但質量越低，形成黑洞所需的物質密度就越高，也就是黑洞的尺寸越小（史瓦西半徑小）。目前已知最小的黑洞質量大約是太陽的3.3倍。
藝術圖：恆星級黑洞（左）從伴星（由）吸收物質（來源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/images/624540main_igr_665.jpg）
有朋友問了，太陽（也就是1倍太陽質量的恆星）能不能坍縮成恆星級黑洞？從我們現有的黑洞形成機制推算應該是不能，以太陽的質量來說，它的「末日」應該像我們剛才提到的一樣變成一顆白矮星，還不足以讓它直接坍縮成一個黑洞。從理論上來說質量小於一個太陽的黑洞應該由其他機制產生（例如宇宙形成早期的環境）。從另一個方面來說，恆星以及坍縮相關的理論也不支持太大質量的黑洞（目前恆星演化模型只能推演出最大為30倍太陽質量的恆星級黑洞），這也是為什麼一直認為恆星級黑洞不會有像LB-1黑洞的70倍太陽質量這麼大。所以，根據這些描述我們就可以看出，觀測到大質量的恆星級黑洞，對恆星演化和黑洞形成理論具有非常重大的意義，說是「顛覆性」的觀測也不為過。
特別大的黑洞我們稱之為超大質量黑洞，通常有太陽質量的一百萬到幾十億倍。我們前文提到的霍爾姆15A星系團中的黑洞質量是太陽的400億倍，這種就是所謂的超大質量黑洞，一般認為幾乎所有的大質量星系都有一個超大質量黑洞在其中心。在恆星級黑洞和超大質量黑洞之間，有些學者認為存在中間級（中等質量黑洞），也有學者持反對意見，不過也一直缺少有力的觀測。
螺旋形的銀河系中心被認為存在一個超大質量黑洞（來源：https://vignette.wikia.nocookie.net/space/images/5/50/Milky_Way_Arms.png/revision/latest?cb=20121211064824）
可惜的是，由於黑洞的特性，其觀測非常困難，我們對黑洞的性質知之甚少。超大質量黑洞有著巨大的引力，能夠影響周圍眾多的天體（例如我們所處的銀河系就被認為是恆星「團結」在超大質量黑洞周圍形成的），我們對這些天體的行為進行分析，能得到很多超大質量黑洞的信息。而恆星級黑洞的質量太小了，它的觀測就格外困難。銀河內有數以千億計的恆星，按照理論預測，銀河系中應該有上億顆恆星級黑洞，但是在過去的約50年當中，人們只發現了約20顆恆星級黑洞，質量約在3到20倍太陽質量之間。
那麼科學家是怎麼尋找恆星級的黑洞的呢？由於輻射一旦越過黑洞的視界就無法逃脫其巨大的引力，因此很難孤立地發現這些黑洞，但是我們可以藉助間接觀測。恆星黑洞最容易在X射線雙星系統中發現，在該系統中，來自伴星的氣體被拉入黑洞，當氣體通過吸積盤向黑洞旋轉下落時，被加熱到幾千萬度，可以產生相應的X射線，在通過這種X射線推測黑洞存在的同時，還可以通過觀測伴星受到引力的效應來測量黑洞的質量。不過這種方法只能發現很小一部分恆星級黑洞，當黑洞和它的伴星距離較遠時不會出現發出X射線的這些過程。
黑洞吸積放射X射線的藝術想像圖（來源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/10857507808/641）
因此，這次對「霸主」LB-1黑洞的觀測也是一次尋找恆星級黑洞方法上的創新。LB-1黑洞所在的雙星系統是沒有足夠強的X射線輻射的，事實上這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離），研究人員用美國錢德拉X射線天文臺的觀測表明LB-1黑洞對其伴星吸積非常微弱。但是，科學家們觀測和比對雙星系統中伴星的光譜，發現光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的明線（Hα發射線），並在深入的計算中推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，質量又大又不可見，從各種性質來看，它都只能是黑洞。
該論文中的光譜觀測圖（來源：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2）
我們前文也說了，目前恆星演化模型只能推演出最大為30倍太陽質量的恆星級黑洞。所以，可能恆星演化的理論需要做出改變，或者黑洞形成的理論中也有未發現的機制。無論如何，這都是一次非常重要的科學發現。
來源：中國科學院國家空間科學中心
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