近日，美國俄亥俄州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型的小質(zhì)量黑洞，填補(bǔ)了宇宙中已知中子星與黑洞之間存在的質(zhì)量空白，將已觀測(cè)黑洞質(zhì)量的下限降低了約三分之一。該研究日前發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說：“在宇宙中，我們此前從沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量如此小的黑洞。這次發(fā)現(xiàn)的小質(zhì)量黑洞，會(huì)豐富我們對(duì)恒星生命歷程的了解。”
那么，人們?yōu)槭裁匆獙ふ倚≠|(zhì)量的黑洞？距離地球遙遠(yuǎn)的黑洞，其質(zhì)量是怎樣計(jì)算出來的？發(fā)現(xiàn)“小黑洞”對(duì)我們來說意味著什么？
“雙星系統(tǒng)”中看不見的那一位
此次發(fā)現(xiàn)的最小黑洞來源于一個(gè)雙星系統(tǒng)。雙星系統(tǒng)，指的是兩顆天體的引力提供向心力，使兩者一起圍繞同一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的天體組合。在雙星系統(tǒng)中，一個(gè)恒星依然可以受黑洞的引力吸引，繼續(xù)圍繞其旋轉(zhuǎn)。但是，由于黑洞的巨大引力，光子速度不足以擺脫黑洞引力，永遠(yuǎn)無法逃逸出去，因此用光學(xué)觀測(cè)手段無法看見黑洞，只能看到其“同伴”。反過來，只要找到一顆看不見伴星且符合雙星系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的恒星，就可以判斷其“伴星”是一個(gè)黑洞。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，通過對(duì)伴星軌道的觀測(cè)和計(jì)算，研究人員還可以確定這個(gè)黑洞的質(zhì)量。此次研究中，研究人員正是利用上述方法找到了這個(gè)最小黑洞。
研究人員利用的樣本數(shù)據(jù)是來自于阿帕奇波因特天文臺(tái)的光譜數(shù)據(jù)。由于發(fā)光天體在遠(yuǎn)離地球時(shí)，從地球上觀測(cè)其光波頻率會(huì)下降，反之就會(huì)上升，因此研究人員只需根據(jù)光波頻率增減情況，就可以計(jì)算出恒星的運(yùn)行軌跡，判斷一顆恒星是否在圍繞一個(gè)“同伴”運(yùn)行。
由此，研究人員從尋找雙星系統(tǒng)的角度出發(fā)，在10萬個(gè)恒星樣本中篩選出了200個(gè)值得關(guān)注的樣本。
在其中一個(gè)樣本里，一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個(gè)“看不見的”恒星轉(zhuǎn)動(dòng)。研究人員確定這是一個(gè)黑洞，并且注意到其質(zhì)量似乎遠(yuǎn)小于已知黑洞，而又大于已知最大的中子星。隨后研究人員根據(jù)阿帕奇波因特天文臺(tái)星系演化實(shí)驗(yàn)室（APOGEE）、蓋亞衛(wèi)星等觀測(cè)平臺(tái)傳來的補(bǔ)充數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為3.3倍太陽質(zhì)量。
質(zhì)量大小至關(guān)重要
“上世紀(jì)三十年代，奧本海默等提出了‘奧本海默極限’，認(rèn)為中子星的質(zhì)量存在上限。”茍利軍說，“理論上，質(zhì)量大于‘奧本海默極限’的中子星將會(huì)坍縮。”
黑洞的演化理論認(rèn)為，中子星是恒星演化最后階段的形態(tài)之一，而質(zhì)量過大的中子星并不穩(wěn)定，將會(huì)坍縮形成黑洞。然而，此前確認(rèn)的黑洞質(zhì)量至少達(dá)5倍太陽質(zhì)量，中子星質(zhì)量則一般不超過2.1倍太陽質(zhì)量。人們對(duì)質(zhì)量位于中子星與黑洞之間——被稱為“質(zhì)量間隙”的天體尚無確切了解。
2017年，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）觀察到兩個(gè)質(zhì)量分別為31倍太陽質(zhì)量和25倍太陽質(zhì)量的黑洞并合。LIGO發(fā)現(xiàn)比以往更大質(zhì)量的黑洞合并事件，讓人不禁猜測(cè)，或許也有更小質(zhì)量黑洞未被發(fā)現(xiàn)。
茍利軍說：“一般發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量多集中在7到8倍太陽質(zhì)量左右。通常宇宙中的小質(zhì)量恒星更多，但卻沒觀察到質(zhì)量非常小的黑洞。”
本次研究論文第一作者、美國俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)教授托德·湯普森從這一猜測(cè)出發(fā)，投入到新型小質(zhì)量黑洞的搜尋中。本次發(fā)現(xiàn)的小黑洞，恰恰填補(bǔ)了這一觀測(cè)空白區(qū)域。
理論上，宇宙中大量存在的小質(zhì)量恒星爆炸，這會(huì)導(dǎo)致小質(zhì)量黑洞占多數(shù)。然而與理論預(yù)期相反，在湯普森教授的研究發(fā)表之前，還沒有人發(fā)現(xiàn)位于“質(zhì)量間隙”的任何黑洞。
由于沒有對(duì)應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果，天文學(xué)家不能確切說明質(zhì)量在“質(zhì)量間隙”的天體究竟是中子星還是黑洞，也不能證實(shí)推測(cè)的結(jié)果正確與否。茍利軍認(rèn)為，這次發(fā)現(xiàn)小質(zhì)量黑洞后，人們將可能對(duì)黑洞的形成與恒星的生命歷程有更深刻的認(rèn)識(shí)。
湯普森說道：“我們可能確定了一個(gè)新型小質(zhì)量黑洞。天體的質(zhì)量非常重要，它告訴我們，天體本質(zhì)是怎樣的，形成和演化的過程又是怎樣的。”
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員茍利軍在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說：“在宇宙中，我們此前從沒有發(fā)現(xiàn)質(zhì)量如此小的黑洞。這次發(fā)現(xiàn)的小質(zhì)量黑洞，會(huì)豐富我們對(duì)恒星生命歷程的了解。”
那么，人們?yōu)槭裁匆獙ふ倚≠|(zhì)量的黑洞？距離地球遙遠(yuǎn)的黑洞，其質(zhì)量是怎樣計(jì)算出來的？發(fā)現(xiàn)“小黑洞”對(duì)我們來說意味著什么？
“雙星系統(tǒng)”中看不見的那一位
此次發(fā)現(xiàn)的最小黑洞來源于一個(gè)雙星系統(tǒng)。雙星系統(tǒng)，指的是兩顆天體的引力提供向心力，使兩者一起圍繞同一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的天體組合。在雙星系統(tǒng)中，一個(gè)恒星依然可以受黑洞的引力吸引，繼續(xù)圍繞其旋轉(zhuǎn)。但是，由于黑洞的巨大引力，光子速度不足以擺脫黑洞引力，永遠(yuǎn)無法逃逸出去，因此用光學(xué)觀測(cè)手段無法看見黑洞，只能看到其“同伴”。反過來，只要找到一顆看不見伴星且符合雙星系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的恒星，就可以判斷其“伴星”是一個(gè)黑洞。根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，通過對(duì)伴星軌道的觀測(cè)和計(jì)算，研究人員還可以確定這個(gè)黑洞的質(zhì)量。此次研究中，研究人員正是利用上述方法找到了這個(gè)最小黑洞。
研究人員利用的樣本數(shù)據(jù)是來自于阿帕奇波因特天文臺(tái)的光譜數(shù)據(jù)。由于發(fā)光天體在遠(yuǎn)離地球時(shí)，從地球上觀測(cè)其光波頻率會(huì)下降，反之就會(huì)上升，因此研究人員只需根據(jù)光波頻率增減情況，就可以計(jì)算出恒星的運(yùn)行軌跡，判斷一顆恒星是否在圍繞一個(gè)“同伴”運(yùn)行。
由此，研究人員從尋找雙星系統(tǒng)的角度出發(fā)，在10萬個(gè)恒星樣本中篩選出了200個(gè)值得關(guān)注的樣本。
在其中一個(gè)樣本里，一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個(gè)“看不見的”恒星轉(zhuǎn)動(dòng)。研究人員確定這是一個(gè)黑洞，并且注意到其質(zhì)量似乎遠(yuǎn)小于已知黑洞，而又大于已知最大的中子星。隨后研究人員根據(jù)阿帕奇波因特天文臺(tái)星系演化實(shí)驗(yàn)室（APOGEE）、蓋亞衛(wèi)星等觀測(cè)平臺(tái)傳來的補(bǔ)充數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為3.3倍太陽質(zhì)量。
質(zhì)量大小至關(guān)重要
“上世紀(jì)三十年代，奧本海默等提出了‘奧本海默極限’，認(rèn)為中子星的質(zhì)量存在上限。”茍利軍說，“理論上，質(zhì)量大于‘奧本海默極限’的中子星將會(huì)坍縮。”
黑洞的演化理論認(rèn)為，中子星是恒星演化最后階段的形態(tài)之一，而質(zhì)量過大的中子星并不穩(wěn)定，將會(huì)坍縮形成黑洞。然而，此前確認(rèn)的黑洞質(zhì)量至少達(dá)5倍太陽質(zhì)量，中子星質(zhì)量則一般不超過2.1倍太陽質(zhì)量。人們對(duì)質(zhì)量位于中子星與黑洞之間——被稱為“質(zhì)量間隙”的天體尚無確切了解。
2017年，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）觀察到兩個(gè)質(zhì)量分別為31倍太陽質(zhì)量和25倍太陽質(zhì)量的黑洞并合。LIGO發(fā)現(xiàn)比以往更大質(zhì)量的黑洞合并事件，讓人不禁猜測(cè)，或許也有更小質(zhì)量黑洞未被發(fā)現(xiàn)。
茍利軍說：“一般發(fā)現(xiàn)的黑洞質(zhì)量多集中在7到8倍太陽質(zhì)量左右。通常宇宙中的小質(zhì)量恒星更多，但卻沒觀察到質(zhì)量非常小的黑洞。”
本次研究論文第一作者、美國俄亥俄州立大學(xué)天文學(xué)教授托德·湯普森從這一猜測(cè)出發(fā)，投入到新型小質(zhì)量黑洞的搜尋中。本次發(fā)現(xiàn)的小黑洞，恰恰填補(bǔ)了這一觀測(cè)空白區(qū)域。
理論上，宇宙中大量存在的小質(zhì)量恒星爆炸，這會(huì)導(dǎo)致小質(zhì)量黑洞占多數(shù)。然而與理論預(yù)期相反，在湯普森教授的研究發(fā)表之前，還沒有人發(fā)現(xiàn)位于“質(zhì)量間隙”的任何黑洞。
由于沒有對(duì)應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果，天文學(xué)家不能確切說明質(zhì)量在“質(zhì)量間隙”的天體究竟是中子星還是黑洞，也不能證實(shí)推測(cè)的結(jié)果正確與否。茍利軍認(rèn)為，這次發(fā)現(xiàn)小質(zhì)量黑洞后，人們將可能對(duì)黑洞的形成與恒星的生命歷程有更深刻的認(rèn)識(shí)。
湯普森說道：“我們可能確定了一個(gè)新型小質(zhì)量黑洞。天體的質(zhì)量非常重要，它告訴我們，天體本質(zhì)是怎樣的，形成和演化的過程又是怎樣的。”
