記者今天（11月28日）從中科院國家天文臺獲悉，中國天文學家利用郭守敬望遠鏡（LAMOST）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。
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、張昊彤研究團隊的這一項重大發現。
LB-1的藝術想像圖 (喻京川 繪)。國家天文臺供圖
觀測恆星級黑洞的兩種傳統方法
黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質，包括光也無法從它身邊逃離。根據質量的不同，黑洞一般分為恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100倍-10倍萬太陽質量)和超大質量黑洞(10倍萬太陽質量以上)。這其中，恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的「居民」。
由於黑洞自身不發光，難以被發現。目前恆星級黑洞被觀測驗證有兩種方法，一是通過引力波實驗聆聽時空的漣漪推知雙黑洞並和事件，適用於發現稀少的雙黑洞。二是通過監測明亮伴星的運動推知黑洞存在並測量黑洞質量，適用於發現有明亮伴星的黑洞。
理論預言銀河系中有上億顆恆星級黑洞。但迄今為止，天文學家僅在銀河系發現了約20顆恆星級黑洞——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、質量均小於20倍太陽質量的黑洞。
「在傳統方法中，需要黑洞吸積盤X射線指引，但是只有極少數黑洞和伴星很近的系統能產生X射線輻射，使黑洞被發現。」論文第一作者和通訊作者劉繼峰說道。
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。
不依賴X射線 LAMOST發現找尋黑洞新方法
LAMOST監測揭示黑洞不依賴X射線，而是直接監測大量恆星的運動。
光譜，就好比恆星的條形碼。「光譜中譜線移動揭示恆星運動，需要獲取大量恆星的大量光譜。在上世紀六十年代，人們已經調集大量觀測資源進行研究，但是由於設備靈敏度、數據質量等問題，最後沒有發現黑洞。」劉繼峰說，如今，我國自主研製的先進設備LAMOST可以同時獲取4000個光譜，世界上光譜獲取率最高，可以踐行利用視向速度監測發現黑洞的新方法。
2016年秋季開始，國家天文臺領導的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，歷時兩年監測了一個小天區內3000多顆恆星。結果發現，在一個X射線輻射寧靜的雙星系統（LB-1）中，一顆8倍太陽質量的藍色恆星，圍繞一個「看不見的天體」做著周期性運動。
不同尋常的光譜特徵表明，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米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡，進一步確認了LB-1的光譜性質，計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。
「它是迄今為止質量最大的由恆星坍縮形成的恆星級黑洞，相當於最小級別黑洞中的『小霸王』。」劉繼峰說。
值得一提的是，在兩年之久的監測時間裡，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口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，同樣的機率下，則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。
天文學家會為恆星級黑洞拍照片嗎？劉繼峰表示，此次發現的黑洞是恆星級的黑洞，質量和視界也非常小，相比此前拍攝過照片的超大質量、M87黑洞，LB-1的視界要小的多，目前的技術還沒有辦法給它拍照片。
獵手計劃5年內預計發現近百個黑洞
目前恆星演化理論預言，在太陽金屬豐度下只能形成最大為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恆星演化理論的「禁區」。
LIGO（美國雷射幹涉引力波天文臺）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恆星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年裡美國雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興」。
據悉，這項工作是基於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。研究共包括55位作者，來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、義大利、波蘭和荷蘭7個國家28家單位。
劉繼峰說，下一步將開展黑洞獵手計劃，利用LAMOST極高的觀測效率，開始監測四個其它天區，用視向速度監測和天測數據結合，批量發現黑洞並測量黑洞質量。預計5年內發現並測量近百個黑洞，五倍於銀河系中已知黑洞。
屆時，天文學家有望發現一大批「深藏不露」的黑洞，開創批量發現黑洞的新紀元。「通過擘畫黑洞群像，構建具有統計顯著性的緻密天體質量分布，將解答緻密天體研究的系列基本問題。」劉繼峰說。
據悉，黑洞小分隊將由國家天文臺、上海天文臺、武漢大學等跨院校的團組組成。
揭秘：一眼千星的LAMOST如何發現黑洞
在位於河北省的中國科學院國家天文臺興隆觀測站，一座巨大的白色建築斜架在燕山主峰南麓，指向天空，這就是新類型的大視場兼備大口徑望遠鏡——郭守敬望遠鏡（大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，英文縮寫LAMOST）。
郭守敬望遠鏡突破了天文望遠鏡大視場與大口徑難以兼得的難題，成為目前國際上口徑最大的大視場望遠鏡。它擁有4000根光纖，一次能觀測近4000個天體。
2019年3月，LAMOST公開發布了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的「光譜之王」。
國家天文臺高級工程師白仲瑞介紹稱，LAMOST有兩大自主創新技術，一是薄鏡面與拼接鏡面主動光學技術，近千個力促動器在觀測過程中保證鏡面聚焦。二是並行可控光纖定位系統，4000個光纖定位單元在幾分鐘內使所有光纖對準目標。
「天體的光要經過複雜的光學系統，中間還混雜了各種噪聲，最後形成觀測數據。這樣的數據無法直接使用，要有一套可靠的數據處理系統，去除背景噪音和儀器響應，獲得天體光譜與物理參數。」白仲瑞說，目前LAMOST的數據處理系統非常複雜，科研人員從2004年開始開發，歷經10餘年，有3000多次更新，現有8萬多行程序，數據精度達到國際先進水平。
在此次黑洞發現過程中，LAMOST起了什麼作用？
白仲瑞說，如果恆星繞著一顆主星旋轉的話，它的視向速度會有周期性變化，天文學家用視向速度的變化監測器是否為「雙星」，並選擇雙子座附近的天區，對3000多顆恆星進行26次重複監測，根據光譜計算出視向速度。其中，天文學家發現300顆恆星有周期規律，根據光譜和周期變化的幅度，估計了主星和伴星的質量，其中有22個緻密天體的候選體。
「其中有一個特別奇怪，它有B型星的光譜，還有強Hα發射線，B型星的視向速度有漂亮的周期性變化，但是Hα發射線視向速度的變化非常小，通過進一步研究，天文學家證實這是一個黑洞。」白仲瑞說，這樣的概率表明，LAMOST是探索黑洞的最佳選擇，利用LAMOST數據可以產生突破性的、世界領先的研究成果。來源：新京報