今日Nature: 国家天文台发现最大恒星级黑洞，改写恒星演化理论！

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2019年11月28日，中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队，依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。论文以“A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements”为题发表在Nature期刊上。

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。仅两个月后，德国物理学家卡尔·史瓦西就推导出了爱因斯坦场方程式的一个精确解，从而预言了黑洞的存在。这个令光线也无法逃逸的神秘天体，让科学家和公众都保持着极大的兴趣。但直到2015年，人们才首次探测到引力波；到2019年，人们才拍下属于黑洞的第一张“相片”。这个几乎人人都认识的天体，对于人类来说实在是熟悉又陌生。黑洞是一种本身不发光、密度非常大的神秘天体。它具有超强吸引力，任何物质，包括速度最快的光也无法从它身边逃离。根据质量的不同，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。本次发现的黑洞则是恒星级黑洞。

2018年，中国学者曾观测到一个罕见的由超大质量黑洞和恒星级黑洞组成的b-EMRI系统恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，在宇宙中广泛存在。但迄今为止，天文学家仅在银河系发现了约20颗恒星级黑洞——而且都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的，质量均小于20个太阳质量的黑洞。而本次发现的恒星级黑洞LB-1，质量上逼近70倍太阳质量，是现有理论预测的恒星级黑洞质量上限的两倍有余。

LB-1的艺术想象图（喻京川绘)刘继峰研究员称：“目前大多数恒星演化模型认为，在我们的银河系中不应该存在如此质量的黑洞。”2016年秋季开始，国家天文台领导的研究团队利用LAMOST开展双星课题研究，历时两年监测了一个小天区内3000多颗恒星。结果发现，在一个X射线辐射宁静的双星系统（LB-1）中，一颗8倍太阳质量的蓝色恒星，围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。不同寻常的光谱特征表明，那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。研究人员随即进行了“确认”：他们通过西班牙10.4米口径加纳利大望远镜和美国10米口径凯克望远镜，进一步确认了LB-1的光谱性质，计算出该黑洞的质量大约是太阳的70倍。

LB-1和引力波并合事件、X射线方法发现的黑洞的质量分布值得一提的是，郭守敬望远镜（LAMOST，大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜），在本次观测中立下了汗马功劳。它隶属国家重大科学工程，于2001年9月开工，2008年10月落成，2009年通过了国家发展和改革委员会主持的国家验收。LAMOST突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得难题，成为目前国际上口径最大的大视场望远镜，是我国光学望远镜研制的又一里程碑。在两年之久的监测时间里，LAMOST共为这项研究做了26次观测，累积曝光时间约40个小时。刘继峰表示，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，同样的几率下，则需要40年的时间！LAMOST的观测效率之高可见一斑。

郭守敬望远镜目前恒星演化理论预言在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。美国激光干涉引力波天文台（LIGO）从2015年起，通过探测引力波的方法发现了数十倍太阳质量的黑洞；2017年，雷纳·韦斯、基普·索恩和巴里·巴里什因在LIGO的建造和引力波探测方面的贡献被授予诺贝尔物理学奖。而接下来，利用LAMOST极高的观测效率，天文学家有望发现一大批“深藏不露”的黑洞,开创批量发现黑洞的新纪元。而理论物理学家们，也将不得不对现有的黑洞演化解释做一次革命。LIGO台长大卫·雷茨评论，“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞，将迫使天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）探测到的双黑洞并合事件一起，推动黑洞天体物理研究的复兴”。这项工作是基于LAMOST（中国兴隆）、加纳利大望远镜（西班牙加纳利群岛）、凯克望远镜（美国夏威夷）和钱德拉X射线天文台（美国）的观测数据完成的。本研究共包括55位作者，来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家28家单位。

学者介绍

刘继峰

中国科学院国家天文台副台长。中国科学院国家天文台银河系三维结构研究团组首席科学家，中国科学院大学天文与空间科学学院副院长。研究兴趣为致密天体和恒星的多波段观测研究。目前已在国际期刊发表学术论文七十余篇，其科研成果入选“2013年度22个中国科学家代表成果”，并入选“2015年中国十大科技进展”。

张昊彤

中国科学院国家天文台研究员。其领导的LAMOST科学巡天部长期负责LAMOST的二维光纤光谱的处理、巡天计划的制定，以及望远镜性能测试及提高。科学巡天部团队克服了仪器不稳定等因素，使得LAMOST二维光谱的处理精度逐步提高。一直通过对望远镜的测试观测发现并解决硬件和运行中问题，使得LAMOST性能逐步提高。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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