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？
2019年11月28日，《自然》期刊在線發布了我國天文學家主導的一項重大發現，中科院國家天文臺領導的研究團隊發現了一顆迄今為止最大質量的恆星級黑洞，並提供了一種利用我國LAMOST望遠鏡發現黑洞的新方法。
相信很多朋友已經看過了這篇報導，這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，並且顛覆了人們對恆星級黑洞的認知。
那麼這個黑洞是怎樣發現的？它又是怎樣改變我們認知的，以及它對我們未來的工作有什麼啟發？作為團隊中的一員，我想跟大家分享一些我們工作中故事。
任何故事都要有一個開始，那麼這個故事的起源就是天文界一個長期存在的問題，叫做恆星級黑洞缺失問題。這裡有兩個詞語，一個叫恆星級黑洞，一個是缺失，我們來看一下它們是什麼意思？
天文學家根據黑洞質量的不同，把黑洞大致分為三種，恆星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。我們今天故事的主角就是一顆恆星級黑洞，在黑洞家族裡，恆星級黑洞屬於嬰兒級別，它的質量在幾倍到上百倍太陽質量之間。
如果大家有印象的話，去年的那張風靡全球的黑洞照片中的黑洞是一顆超大質量黑洞，它位於星系M87，質量大約是太陽質量的65億倍，在黑洞家族裡它屬於巨人級別。
而恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，對於恆星而言，它的一生就跟我們人類一樣，有著出生、長大、死亡，它誕生於星雲，在核聚變反應中度過自己的大部分時光，當核聚變反應結束，沒有向外的熱壓力與引力相抗衡，它就會不可避免地走向坍縮的命運。
如果一顆恆星的質量比較小，像我們太陽一樣，它就會變成一顆白矮星，質量再大一點，就會變成一顆中子星。如果一顆恆星的質量大於20-30倍太陽質量，那麼它死亡後遺留的核心會大於3倍太陽質量，它最後就會變成一顆黑洞。
宇宙中恆星是很多的，我們每當在夜晚仰望天空的時候，就會看到滿天璀璨的群星，我們可以想到黑洞也應該是廣泛存在的。那麼恆星演化理論就預言，在銀河系內應該有上億個黑洞，而且有人還估計在我們太陽系附近每100光年左右就應該有一個黑洞，那麼離太陽系最近的恆星是4.2光年，如果未來我們人類文明要開始星海徵程，100光年似乎不是一個非常遙遠的距離，對吧？
那麼，我想我們最好的情況就是有一份黑洞地圖來避免這些暗礁，就像流浪地球裡所演的那樣，如果我們人類要帶著地球一起去星空中流浪，那麼我們一定要小心翼翼地避開這些黑洞。
我剛才說過，黑洞應該是廣泛存在的，但是問題這個時候就來了，這些黑洞似乎隱藏的太深了，從我們發現第一個黑洞開始到現在已經過了50多年的時間，在這50多年的時間裡，天文學家一共在銀河系裡發現了差不多100個黑洞，確認的只有20個左右，可以說只是理論預言的冰山一角。
那麼黑洞去哪了呢？要了解這樣一個恆星級黑洞缺失問題，我們先來看一下傳統上我們是怎樣去尋找黑洞的。尋找它的方法，我們可以簡單歸結為三類，一聽、二看、三找夥伴。
那麼，第一種情況，如果當兩顆黑洞併合的時候，它會以引力波的方式把一定的能量或者質量釋放出去，我們可以通過聆聽這種時空震顫的漣漪來發現雙黑洞併合事件，進而推出併合前兩個黑洞的質量是多少。2015年9月，LIGO天文臺就發現了第一起雙黑洞併合事件，是由兩個質量分別為36倍和29倍太陽質量的黑洞併合成了一顆62倍質量的黑洞，其中有3倍的太陽質量以引力波的方式釋放出去。
第二個，如果一顆黑洞離它的恆星很近，那麼恆星系統的物質就會被黑洞以強大的胃口吸積過去，形成一個明亮的吸積盤，然後發出X射線，這些X射線就跟我們在醫院裡用的X光是一樣的。天文學家就可以通過追蹤這些X射線從而發現黑洞的存在，然後通過進一步監測這些被吸積的恆星的運動來測量黑洞的質量。
在1964年的時候，第一個黑洞天鵝座X-1就是通過這種方式發現的，事實上我們銀河系所有的20多個黑洞都是通過這種方式發現的。
第三種方法叫找夥伴，如果恆星離黑洞比較遠，這個時候沒有吸積發生，或者說吸積很微弱，沒有X射線輻射，我們就可以通過監測那些恆星的運動，用視向速度變化來發現黑洞。
我們可以這樣想，如果一顆恆星在做著周期性地軌道運動，它周圍必然有另一顆天體，而如果這個天體是不可見的，並且它的質量大於三倍太陽質量，它就只能是一顆黑洞。
那麼前兩種方法是人們發現黑洞的傳統方法，第三種方法在上個世紀的時候，天文學家就已經調取了大量觀測資源來試圖以這種方法發現黑洞，但是因為樣本來源不統一，數據質量不高等原因，這種方法沒有成功。
了解了黑洞的觀察方法，我們再來看一下黑洞缺失問題是怎麼造成的？
宇宙中絕大多數黑洞可能都是單獨存在的，所以說我們就沒法通過引力波的方式或者是X射線的方式去發現它們。再就是對於黑洞和伴星這種組成的雙星系統，大多數X射線輻射是寧靜的，就是說它不會像哥斯拉巨獸一樣噴出很明亮的高能射線，我們也就沒法通過傳統的X射線的方式發現他們，所以如果我們要去發現更多的黑洞，我們就要去尋找新的辦法，比如說第三種找夥伴的辦法。
雖然以前天文學家的努力都失敗了，但是我國的LAMOST望遠鏡使這種方法成為了可能。
LAMOST又叫做大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，它由兩塊鏡面組成，分別是24塊和37塊這樣的正六邊形拼接而成。在這個焦面上一共有4000根光纖，密密麻麻的在那裡擺放著，就像4000顆眼睛一樣，一次能觀測4000個天體。
在2016年到2018年的時候，我們為了研究光譜雙星，LAMOST就對克卜勒的一個天區的3000個目標進行了多次觀測。
在這3000多個目標裡，我們一共發現了差不多300個源，它們的譜線在做周期性的軌道運動，大多數是由兩顆正常恆星組成的雙星系統。這個時候就有一顆特殊的B型星進入了我們的視線。
那什麼是B型星呢？天文學家根據恆星表面溫度的不同，把它們簡單的分為不同的類型，B型星的表面溫度大約是1萬到3萬度之間，而且它還是一個大質量恆星。像我們太陽的表面溫度是5200度，被歸類為G型星。
這顆B型星的光譜裡，有著顯著移動的B型星吸收線和無顯著移動的氫發射線。這意味著什麼呢？這個氫發射線不是來自於B型星本身。同時這顆B型星又在做著周期性的軌道運動，說明B型星在與一個天體互相繞轉，但光譜裡沒有其它恆星的信號，這說明另一個天體應該是不可見。
當時我們看到這個結果之後就很高興，因為很可能這是一個黑洞。但是組裡也有其他老師就說，是不是我們用別的望遠鏡也去觀測一下，去證實一下？
所以，我們就申請了國外的大型望遠鏡進行了高解析度光譜的觀測，包括西班牙的10.4米加納利大望遠鏡和美國10米凱克望遠鏡，它們的光譜也都證實了我們的觀測，所以就是說，光譜是真實的。
當我們把所有的數據收集起來，然後把它們進行周期摺疊之後，我們就發現B型星跟氫發射線是呈反向運動的，這說明Hα射線來自於那個看不見的天體，我們可以通過這樣一個二體的相對運動，求出不可見天體的質量比上B型星的質量就等於他們的徑向速度的振幅的反比，大約天體的質量是B型星質量的8倍。
那麼B型星的質量該怎麼獲得？我們前面也說過恆星的一生，只要我知道了B型星的表面溫度和重力加速度，就可以知道它在一生中演化到了什麼位置，以及獲得一些其他的信息，比如說質量，我們計算得出B型星的質量大約是8.2倍太陽質量，所以可以說，我們發現了一顆70倍太陽質量的黑洞。
在發現黑洞之後，我們本來是很興奮的，但突然之間我們就變得很忐忑了，不敢相信了。為什麼呢？
如果我們把我們發現的黑洞放在現在所有的恆星級黑洞的質量圖上，在所有由恆星死亡形成的黑洞裡面，它的質量是最大的，而且比之前發現的最大的恆星級黑洞的質量還要大2-3倍，它實在是太重了。當時我們團隊裡也有做理論學者說這個黑洞實在太重了，完全是不可能形成的，會不會是數據處理得有問題？
然後我們經過反覆地測量，實驗室也經歷了很多次加班，到最後還是確認了這樣一個發現，同時我們還把它命名為LB-1，就是說LAMOST發現的第一個黑洞。
在向《自然》投稿的過程中，兩位審稿人也是非常的謹慎，向我們提出了很多的問題：包括Hα輻射是不是還有其他的解釋？它是不是來自於其他的地方？恆星演化模型能不能用來得到這樣一個B型星的質量等等，但是最終經過多次的溝通之後，審稿人還是認同了我們的這個發現，並且評價說這個發現開啟了發現黑洞的新方法。
故事到這裡還沒有結束，我們既然發現了黑洞，我們就要去思考這個黑洞是怎麼形成的。
第一種渠道就是傳統的大質量恆星坍縮，那麼恆星級黑洞的質量是由恆星的初始質量，還有金屬豐度以及物質損失過程來決定。金屬豐度是一個非常關鍵的量，金屬豐度越高，星風就越強，吹出去的物質越多，留下來的物質就越少，那麼形成的黑洞也就越小，而這個超新星也是強烈的影響這樣一個黑洞的形成過程。
我們在工作中是知道B型星的金屬豐度跟太陽是類似的，我們就可以假定黑洞是不是跟太陽類似，又或者是不是跟太陽不類似，這樣兩種情況來看。
第一種情況就是我們假定它跟B型星是相同的金屬豐度，那麼這就意味著黑洞的前身星跟B型星是形成於同一片分子雲，它是原初雙星，它們是青梅竹馬，也就是說它們有著相同的豐度，但是問題就出在這兒，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。而發現了一個70倍的，怎麼可能？是完全不可能的。
可以說LB-1黑洞的質量已經進入到恆星演化的理論的一個禁區，也就說這個渠道暫時來看是不成立的。
那麼是否可能黑洞前身星的金屬豐度不是太陽金屬豐度，比如說它起源於一個貧金屬恆星，後來在茫茫的星海中與B型星相遇，並且糾纏到了一起，這樣的話似乎是可以形成更大質量黑洞的，對吧？因為貧金屬豐度下可以形成更大質量的黑洞。
但是這種星海中茫茫相遇的動力學過程所形成的雙星，它的軌道應該是非常偏心的，而LB-1的軌道是一個圓形的軌道。對於這樣一個系統，要是要通過這種潮汐作用，使它的軌道變成圓形所需要的時間要超過了宇宙的年齡，所以說這條渠道應該也是不成立的。
那麼，還有一種可能，會不會是雙黑洞併合事件？在這種情況下，就是說LB-1的主星是兩個黑洞，而B型星是在最外面繞著轉動的。
那麼，我們可以想像這兩顆恆星會不會已經坍縮成了兩個黑洞，然後現在的黑洞是由那兩顆黑洞所併合而成的，甚至說這兩個黑洞甚至還在互相繞轉，他們還沒有併合，如果這個是真的，我們可以說這是一個非常誘惑的猜測，並且是我們研究雙黑洞併合事件的一個絕佳的候選體。
但是目前來看，它還只能是一個非常令人興奮的猜測，因為我們目前還沒有方法去證實他們。而且形成這樣一個三星系統似乎概率還是太低了。無論以哪種方法來看，我們的黑洞就是不應該形成的。
所以說LB-1的發現就表明現有的恆星演化理論是不完備的，或者說存在著我們未知的一種黑洞雙星形成機制。
LB-1的發現也證實了LAMOST望遠鏡極高的觀測效率，LAMOST發現黑洞總共曝光時間用了40個小時，如果你用一臺普通的望遠鏡去觀測、去發現它，可能需要40年的時間。
LB-1的發現可以說是黑洞探測的一種成功的實踐，作為光譜獲取率最高的望遠鏡，LAMOST展現了極高的觀測效率和大規模的巡天優勢，它無愧於「光譜之王」的稱號。
同時LB-1的質量如此之大，現有的恆星演化理論無法解釋，這將推動天文學家改寫恆星級黑洞的形成模型。
在黑洞發現之後，我們也提出了進一步的計劃，叫做「黑洞獵手計劃」，我們希望用LAMOST監測更多天區，發現更多的黑洞，同時我們也希望利用Gaia衛星進行天體測量從而發現更多黑洞，因為黑洞拉扯著恆星，圍繞雙星質心運動，不僅僅會有視向速度的變化，同時也會有天體位置的變化，而Gaia很有可能探測到這種在天球上的這種位置變化，Gaia天測衛星很有可能幫助我們以這種方式來發現更多的黑洞。
未來,天文學家有望發現一大批深藏不露的黑洞，那麼我們就可以通過構建這種具有統計顯著性的黑洞質量分布來回答黑洞研究的一系列基本問題。
在我們這個工作中，合作單位一共有7個國家的28家單位，作者一共有55位，可以說這反映了國際合作的重要性，這既能顯著地提高我國科學家和中國科學成果在世界上的顯示度，同時也是科學發展的一個大趨勢。
黑洞的發現也告訴我們，要取得科學的發展，我們必須去思考，不斷地去試驗新的方法，去提問、去設計和驗證。
科學從來不是一往直前的，它需要經過反覆地證實與推翻，才能取得前行，這也是我們認識世界的規律。希望隨著科學的不斷發展，我們能提出更多的方法，讓我們有一份詳盡的黑洞地圖，讓我們可以安全地開啟星海徵程。最後我希望我們能夠漂洋過海，駛向遠方。