中國LAMOST發現最大恆星級黑洞，它是怎麼誕生的？爆炸出來的嗎？

2020-10-18 星辰大海種花家

2019年11月28日凌晨《Nature》發表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊關於「發現最大恆星級黑洞，超過70倍太陽質量」的科學研究成果，利用我國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），發現了在現有理論禁區內的黑洞，並且提供了一種新的尋找黑洞的方式！

黑洞的來歷和第一個黑洞

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論引力場公式中推導出史瓦西度規，也就是天體坍縮成黑洞的理論基礎，當然現實理論這種不自轉，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射線觀測時被發現，早期天文學家並不清楚這個位置為什麼會發出強X射線，也不知道這是一個什麼樣的天體。但後來發現X-1是一個雙星系統，一顆編號為HD 226868的藍超巨星與一顆看不見緻密天體互相公轉。

根據對HD 226868恆星的光譜觀測發現（引力紅移），推算出了它的軌道周期與質量，繼而測算出這可看不見的緻密天體質量大約為太陽質量的14.8倍，根據史瓦西度規，這可看不見的緻密天體選項只能是一個黑洞，這是在銀河系內發現的第一個黑洞候選天體。

什麼是恆星級黑洞

一般認為恆星型黑洞是25-30倍太陽質量以上的恆星在末期引力坍縮形成的黑洞，尚未經歷黑洞合併等過程，僅僅通過吞噬物質來獲得質量增長的黑洞。

  • 恆星級黑洞：3~100個太陽質量之間；

  • 中等質量黑洞：100~10萬個太陽質量；

  • 超大質量黑洞：幾十萬倍太陽質量，甚至上百萬倍太陽質量

一般在引力坍縮過程中會伴隨著超新星爆發，因此很多朋友會認為黑洞是在超新星爆炸中形成的，但其實這是一個誤解，要糾正這個觀念，我們先來了解下超新星爆發的簡單過程。

超新星爆發有很多種，我們只簡單介紹下核坍縮型超新星爆發，因為在這種條件會形成中子星或者黑洞。大質量恆星的生命最後階段，核心已經形成鐵元素，無法再提供對抗外殼重壓的輻射壓，此時核心的坍縮即刻將會開始。

核心崩潰是除了Ia型超新星以外所有超新星的爆發原因，有幾種機理會解釋核心坍縮的過程：

  • 電子捕獲

  • 超越錢德拉塞卡極限

  • 成對不穩定

  • 是光致蛻變

當恆星內核發展到鐵核，此時外殼將相內核坍縮，速度將達到光速的20%，泡利不相容的電子簡併壓無法抵抗已經超越錢德拉塞卡極限的核心質量，核心將坍縮成中子星或者黑洞(25-30倍太陽質量將直接坍縮為黑洞)。

簡併態的核心坍縮時將會爆發光致蛻變和電子捕獲的β衰變，這是伴隨超新星爆發電中微子流的理論基礎，如果內核質量超過15個太陽以上，那麼此次超新星爆發可能不會發生，直接坍縮成黑洞！

另外一些超大質量的恆星內部過程則更複雜，因為超大質量恆星並不一定會演化到鐵核，比如40-60M☉的恆星，會經歷核數次坍縮，而60–130 M☉的恆星則可能在某次坍縮中達到重元素的瞬間聚變和成為一顆超新星，比較有意思的是恆星的質量和超新星爆發的亮度和規模並沒有直接聯繫，反而在內核能形成鎳-56的中等質量恆星會導致更明亮和持久的超新星爆發。

簡單的說恆星型黑洞就是恆星在超新星爆發過程中或者不經歷超新星爆發形成的恆星，尚未經歷黑洞合併等過程，其質量增長是通過吞噬雙星中的另一顆恆星物質完成。

關於LAMOST發現的最大恆星級黑洞

恆星級黑洞形成時質量並不高，根據以往的理論最多也就數倍最多二十五倍太陽質量以下，這個質量級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的話，比如X-1這樣質量的黑洞，我們是很難發現的。

1964年X-1黑洞的發現給了天文界一個新的黑洞發現理論，即通過觀測伴星的光譜來發現黑洞的蛛絲馬跡，這計劃看上去很美，但需要獲取大量恆星的光譜，這對於一次觀測只能獲取數條光譜的當時來說簡直就不可能！

LAMOST是專門為獲取恆星的光譜而生，在LAMOST的焦平面上，密密麻麻的排布了4000條光纖，當聚焦完成後，這4000條光纖會通過伺服機構對準每一顆恆星，理論上每次都能獲得4000條光譜，從落成到今天為止，LAMOST已經獲取超過千萬級別的恆星光譜。

劉繼峰、張昊彤的團隊從2016年期，在兩年半的時間裡對天區中的3000顆恆星進行了26次觀測，發現了LB-1這顆B型星的吸收線的異常，可見的伴星運動揭示其可能是黑洞。

通過分析其發射光譜發現了黑洞吸積盤運動，根據恆星的光譜變化推算出兩者的運動方式，繼而計算出這個黑洞的質量大約為68+11-13M☉，這個質量遠超早先發現的恆星型黑洞質量上限。

這是一個非常有意思的發現，這讓天文學家頗為驚喜，喜的是又有了新的大發現，驚的是又要改寫模型了，這將牽涉到一大批恆星和黑洞演化理論需要修改。不過可以確信LB-1並不是誕生就那麼大，這也是研究雙星演化的意義，因為黑洞的誕生以及雙星中另一顆恆星演化到巨星時代的質量被大量吞噬，都是LB-1質量增長的重要原因！

也許劉繼峰、張昊彤的團隊未來的黑洞獵手計劃會有進一步的偉大發現出現，我們希望挑戰極限這樣的發現一再發生，當然種花家作為圍觀群眾是不嫌事大的！

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    記者近日從中科院國家天文臺獲悉，中國天文學家依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用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，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。
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    【新智元導讀】依託我國自主研製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臺研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這一成果在國際權威學術期刊Nature發表。來 新智元AI朋友圈 和行業大咖討論吧。
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    王松 中科院國家天文臺助理研究員 中科院青年創新促進會會員 現在的恆星演化理論預言在太陽金屬豐度下形成的黑洞，質量是不可能超過25倍的。而中國科學家卻發現了一個70倍的，怎麼可能？
  • 我國天文學家發現迄今最大的恆星級黑洞
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  • 黑洞的質量上限是多少？到了上限會爆炸嗎？我們的宇宙或由此誕生
    ，恆星級黑洞都是通過大質量恆星發生超新星爆發之後產生的，最小的恆星級黑洞的質量也在太陽的三倍以上；而星系級黑洞則直接產生宇宙之初，是由當時宇宙中物質極度密集的區域中直接形成的，這類黑洞大都質量巨大，它們之後大都成為了星系的中心，也可以說它們是星系的締造者。
  • 中國發現迄今為止質量最大恆星級黑洞,將顛覆科學界的固有認知
    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。依託我國自主研製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恆星級黑洞，並提供了一種利用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，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。
  • 什麼是恆星級黑洞?中國科學家的這次新發現,具有哪些重大意義?
    現代科學認為，黑洞的中心點就是假想中的「奇點」，它密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小、熱量無限大，黑洞的前身是一個垂死的恆星，當它經過超新星爆炸後，它的核心就會迅速坍縮，這個時候將聚集成一個點，這個點就是黑洞，通過吞噬周圍的所有物質，甚至是光線在內，不斷地壯大自己。
  • 我天文學家發現迄今最大恆星級黑洞 70倍太陽質量
    依託我國自主研製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恆星級黑洞，並提供了一種利用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，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，有望推動恆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。
  • 中國科學家發現最大恆星級黑洞，大到科學家要重新研究理論
    科學家告訴我們，當一顆大質量恆星發生超新星爆發之後，它的內核會變成恐怖的黑洞，從此開始自己的饕餮生涯。根據黑洞的質量，我們將黑洞分為恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞（也有人認為存在迷你黑洞，不過目前沒有發現過）。而在科學家們的努力下，我們已經發現了很多的恆星級黑洞，也發現了大量的超大質量黑洞。
  • 黑洞會蒸發嗎?它會爆炸嗎?
    1974年2月，一場關於量子引力的研討會在牛津附近的盧想福實驗室召開，霍金在這次會議上宣布了自己的新發現。他的報告很快於3月1日發表在《自然》雜誌上，他的演講和論文也採用了同樣的標題：「黑洞會爆炸嗎？」這是一個非常有趣的問題。
  • 世界上最大的黑洞!由中國科學家發現,黑洞理論將被重新改寫
    前段時間，世界上首張黑洞的照片刷爆了我們的朋友圈。可是根據我們以往所了解的知識，黑洞不是一個引力非常強大的天體嗎？所有經過黑洞的物質都會被吸引，以至於沒有光線能夠逃出黑洞的手掌心。那科學家們又是怎麼得到這張照片的呢？簡單來說，就是通過觀察黑洞周圍伴星的變化，測繪出來的一張圖片，並不是科學家們用相機所看到的圖像。
  • 科學家最新發現距離地球最近的黑洞是怎麼回事？它會威脅地球嗎？
    HR 6918來自中國的Good idea該項發現其實是受到我國去年底發現最大恆星級黑洞的啟發，他們使用了我們同樣的方法，通過分析由大型光學望遠鏡獲得的恆星光譜，得到某些恆星視線方向上的速度變化規律，從而雙星系統的運行規律
  • 什麼是「黑洞炸彈」?人類最大核彈在它面前也弱爆了
    （2019年11月，中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊利用郭守敬望遠鏡發現一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，是太陽質量的70倍）；②100倍-10萬倍太陽質量稱為中等質量黑洞；③10萬倍太陽質量以上的被認定為超大質量黑洞。