中国LAMOST发现改写恒星演化理论的黑洞

王松

中科院国家天文台助理研究员

中科院青年创新促进会会员

现在的恒星演化理论预言在太阳金属丰度下形成的黑洞，质量是不可能超过25倍的。而中国科学家却发现了一个70倍的，怎么可能？

2019年11月28日，《自然》期刊在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现，中科院国家天文台领导的研究团队发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用我国LAMOST望远镜发现黑洞的新方法。

相信很多朋友已经看过了这篇报道，这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，并且颠覆了人们对恒星级黑洞的认知。

那么这个黑洞是怎样发现的？它又是怎样改变我们认知的，以及它对我们未来的工作有什么启发？作为团队中的一员，我想跟大家分享一些我们工作中故事。

任何故事都要有一个开始，那么这个故事的起源就是天文界一个长期存在的问题，叫做恒星级黑洞缺失问题。这里有两个词语，一个叫恒星级黑洞，一个是缺失，我们来看一下它们是什么意思？

天文学家根据黑洞质量的不同，把黑洞大致分为三种，恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。我们今天故事的主角就是一颗恒星级黑洞，在黑洞家族里，恒星级黑洞属于婴儿级别，它的质量在几倍到上百倍太阳质量之间。

如果大家有印象的话，去年的那张风靡全球的黑洞照片中的黑洞是一颗超大质量黑洞，它位于星系M87，质量大约是太阳质量的65亿倍，在黑洞家族里它属于巨人级别。

而恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，对于恒星而言，它的一生就跟我们人类一样，有着出生、长大、死亡，它诞生于星云，在核聚变反应中度过自己的大部分时光，当核聚变反应结束，没有向外的热压力与引力相抗衡，它就会不可避免地走向坍缩的命运。

如果一颗恒星的质量比较小，像我们太阳一样，它就会变成一颗白矮星，质量再大一点，就会变成一颗中子星。如果一颗恒星的质量大于20-30倍太阳质量，那么它死亡后遗留的核心会大于3倍太阳质量，它最后就会变成一颗黑洞。

宇宙中恒星是很多的，我们每当在夜晚仰望天空的时候，就会看到满天璀璨的群星，我们可以想到黑洞也应该是广泛存在的。那么恒星演化理论就预言，在银河系内应该有上亿个黑洞，而且有人还估计在我们太阳系附近每100光年左右就应该有一个黑洞，那么离太阳系最近的恒星是4.2光年，如果未来我们人类文明要开始星海征程，100光年似乎不是一个非常遥远的距离，对吧？

那么，我想我们最好的情况就是有一份黑洞地图来避免这些暗礁，就像流浪地球里所演的那样，如果我们人类要带着地球一起去星空中流浪，那么我们一定要小心翼翼地避开这些黑洞。

我刚才说过，黑洞应该是广泛存在的，但是问题这个时候就来了，这些黑洞似乎隐藏的太深了，从我们发现第一个黑洞开始到现在已经过了50多年的时间，在这50多年的时间里，天文学家一共在银河系里发现了差不多100个黑洞，确认的只有20个左右，可以说只是理论预言的冰山一角。

那么黑洞去哪了呢？要了解这样一个恒星级黑洞缺失问题，我们先来看一下传统上我们是怎样去寻找黑洞的。寻找它的方法，我们可以简单归结为三类，一听、二看、三找伙伴。

那么，第一种情况，如果当两颗黑洞并合的时候，它会以引力波的方式把一定的能量或者质量释放出去，我们可以通过聆听这种时空震颤的涟漪来发现双黑洞并合事件，进而推出并合前两个黑洞的质量是多少。2015年9月，LIGO天文台就发现了第一起双黑洞并合事件，是由两个质量分别为36倍和29倍太阳质量的黑洞并合成了一颗62倍质量的黑洞，其中有3倍的太阳质量以引力波的方式释放出去。

第二个，如果一颗黑洞离它的恒星很近，那么恒星系统的物质就会被黑洞以强大的胃口吸积过去，形成一个明亮的吸积盘，然后发出X射线，这些X射线就跟我们在医院里用的X光是一样的。天文学家就可以通过追踪这些X射线从而发现黑洞的存在，然后通过进一步监测这些被吸积的恒星的运动来测量黑洞的质量。

在1964年的时候，第一个黑洞天鹅座X-1就是通过这种方式发现的，事实上我们银河系所有的20多个黑洞都是通过这种方式发现的。

第三种方法叫找伙伴，如果恒星离黑洞比较远，这个时候没有吸积发生，或者说吸积很微弱，没有X射线辐射，我们就可以通过监测那些恒星的运动，用视向速度变化来发现黑洞。

我们可以这样想，如果一颗恒星在做着周期性地轨道运动，它周围必然有另一颗天体，而如果这个天体是不可见的，并且它的质量大于三倍太阳质量，它就只能是一颗黑洞。

那么前两种方法是人们发现黑洞的传统方法，第三种方法在上个世纪的时候，天文学家就已经调取了大量观测资源来试图以这种方法发现黑洞，但是因为样本来源不统一，数据质量不高等原因，这种方法没有成功。

了解了黑洞的观察方法，我们再来看一下黑洞缺失问题是怎么造成的？

宇宙中绝大多数黑洞可能都是单独存在的，所以说我们就没法通过引力波的方式或者是X射线的方式去发现它们。再就是对于黑洞和伴星这种组成的双星系统，大多数X射线辐射是宁静的，就是说它不会像哥斯拉巨兽一样喷出很明亮的高能射线，我们也就没法通过传统的X射线的方式发现他们，所以如果我们要去发现更多的黑洞，我们就要去寻找新的办法，比如说第三种找伙伴的办法。

虽然以前天文学家的努力都失败了，但是我国的LAMOST望远镜使这种方法成为了可能。

LAMOST又叫做大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，它由两块镜面组成，分别是24块和37块这样的正六边形拼接而成。在这个焦面上一共有4000根光纤，密密麻麻的在那里摆放着，就像4000颗眼睛一样，一次能观测4000个天体。

在2016年到2018年的时候，我们为了研究光谱双星，LAMOST就对开普勒的一个天区的3000个目标进行了多次观测。

在这3000多个目标里，我们一共发现了差不多300个源，它们的谱线在做周期性的轨道运动，大多数是由两颗正常恒星组成的双星系统。这个时候就有一颗特殊的B型星进入了我们的视线。

那什么是B型星呢？天文学家根据恒星表面温度的不同，把它们简单的分为不同的类型，B型星的表面温度大约是1万到3万度之间，而且它还是一个大质量恒星。像我们太阳的表面温度是5200度，被归类为G型星。

这颗B型星的光谱里，有着显著移动的B型星吸收线和无显著移动的氢发射线。这意味着什么呢？这个氢发射线不是来自于B型星本身。同时这颗B型星又在做着周期性的轨道运动，说明B型星在与一个天体互相绕转，但光谱里没有其它恒星的信号，这说明另一个天体应该是不可见。

当时我们看到这个结果之后就很高兴，因为很可能这是一个黑洞。但是组里也有其他老师就说，是不是我们用别的望远镜也去观测一下，去证实一下？

所以，我们就申请了国外的大型望远镜进行了高分辨率光谱的观测，包括西班牙的10.4米加纳利大望远镜和美国10米凯克望远镜，它们的光谱也都证实了我们的观测，所以就是说，光谱是真实的。

当我们把所有的数据收集起来，然后把它们进行周期折叠之后，我们就发现B型星跟氢发射线是呈反向运动的，这说明Hα射线来自于那个看不见的天体，我们可以通过这样一个二体的相对运动，求出不可见天体的质量比上B型星的质量就等于他们的径向速度的振幅的反比，大约天体的质量是B型星质量的8倍。

那么B型星的质量该怎么获得？我们前面也说过恒星的一生，只要我知道了B型星的表面温度和重力加速度，就可以知道它在一生中演化到了什么位置，以及获得一些其他的信息，比如说质量，我们计算得出B型星的质量大约是8.2倍太阳质量，所以可以说，我们发现了一颗70倍太阳质量的黑洞。

在发现黑洞之后，我们本来是很兴奋的，但突然之间我们就变得很忐忑了，不敢相信了。为什么呢？

如果我们把我们发现的黑洞放在现在所有的恒星级黑洞的质量图上，在所有由恒星死亡形成的黑洞里面，它的质量是最大的，而且比之前发现的最大的恒星级黑洞的质量还要大2-3倍，它实在是太重了。当时我们团队里也有做理论学者说这个黑洞实在太重了，完全是不可能形成的，会不会是数据处理得有问题？

然后我们经过反复地测量，实验室也经历了很多次加班，到最后还是确认了这样一个发现，同时我们还把它命名为LB-1，就是说LAMOST发现的第一个黑洞。

在向《自然》投稿的过程中，两位审稿人也是非常的谨慎，向我们提出了很多的问题：包括Hα辐射是不是还有其他的解释？它是不是来自于其他的地方？恒星演化模型能不能用来得到这样一个B型星的质量等等，但是最终经过多次的沟通之后，审稿人还是认同了我们的这个发现，并且评价说这个发现开启了发现黑洞的新方法。

故事到这里还没有结束，我们既然发现了黑洞，我们就要去思考这个黑洞是怎么形成的。

第一种渠道就是传统的大质量恒星坍缩，那么恒星级黑洞的质量是由恒星的初始质量，还有金属丰度以及物质损失过程来决定。金属丰度是一个非常关键的量，金属丰度越高，星风就越强，吹出去的物质越多，留下来的物质就越少，那么形成的黑洞也就越小，而这个超新星也是强烈的影响这样一个黑洞的形成过程。

我们在工作中是知道B型星的金属丰度跟太阳是类似的，我们就可以假定黑洞是不是跟太阳类似，又或者是不是跟太阳不类似，这样两种情况来看。

第一种情况就是我们假定它跟B型星是相同的金属丰度，那么这就意味着黑洞的前身星跟B型星是形成于同一片分子云，它是原初双星，它们是青梅竹马，也就是说它们有着相同的丰度，但是问题就出在这儿，现在的恒星演化理论预言在太阳金属丰度下形成的黑洞，质量是不可能超过25倍的。而发现了一个70倍的，怎么可能？是完全不可能的。

可以说LB-1黑洞的质量已经进入到恒星演化的理论的一个禁区，也就说这个渠道暂时来看是不成立的。

那么是否可能黑洞前身星的金属丰度不是太阳金属丰度，比如说它起源于一个贫金属恒星，后来在茫茫的星海中与B型星相遇，并且纠缠到了一起，这样的话似乎是可以形成更大质量黑洞的，对吧？因为贫金属丰度下可以形成更大质量的黑洞。

但是这种星海中茫茫相遇的动力学过程所形成的双星，它的轨道应该是非常偏心的，而LB-1的轨道是一个圆形的轨道。对于这样一个系统，要是要通过这种潮汐作用，使它的轨道变成圆形所需要的时间要超过了宇宙的年龄，所以说这条渠道应该也是不成立的。

那么，还有一种可能，会不会是双黑洞并合事件？在这种情况下，就是说LB-1的主星是两个黑洞，而B型星是在最外面绕着转动的。

那么，我们可以想象这两颗恒星会不会已经坍缩成了两个黑洞，然后现在的黑洞是由那两颗黑洞所并合而成的，甚至说这两个黑洞甚至还在互相绕转，他们还没有并合，如果这个是真的，我们可以说这是一个非常诱惑的猜测，并且是我们研究双黑洞并合事件的一个绝佳的候选体。

但是目前来看，它还只能是一个非常令人兴奋的猜测，因为我们目前还没有方法去证实他们。而且形成这样一个三星系统似乎概率还是太低了。无论以哪种方法来看，我们的黑洞就是不应该形成的。

所以说LB-1的发现就表明现有的恒星演化理论是不完备的，或者说存在着我们未知的一种黑洞双星形成机制。

LB-1的发现也证实了LAMOST望远镜极高的观测效率，LAMOST发现黑洞总共曝光时间用了40个小时，如果你用一台普通的望远镜去观测、去发现它，可能需要40年的时间。

LB-1的发现可以说是黑洞探测的一种成功的实践，作为光谱获取率最高的望远镜，LAMOST展现了极高的观测效率和大规模的巡天优势，它无愧于“光谱之王”的称号。

同时LB-1的质量如此之大，现有的恒星演化理论无法解释，这将推动天文学家改写恒星级黑洞的形成模型。

在黑洞发现之后，我们也提出了进一步的计划，叫做“黑洞猎手计划”，我们希望用LAMOST监测更多天区，发现更多的黑洞，同时我们也希望利用Gaia卫星进行天体测量从而发现更多黑洞，因为黑洞拉扯着恒星，围绕双星质心运动，不仅仅会有视向速度的变化，同时也会有天体位置的变化，而Gaia很有可能探测到这种在天球上的这种位置变化，Gaia天测卫星很有可能帮助我们以这种方式来发现更多的黑洞。

未来,天文学家有望发现一大批深藏不露的黑洞，那么我们就可以通过构建这种具有统计显著性的黑洞质量分布来回答黑洞研究的一系列基本问题。

在我们这个工作中，合作单位一共有7个国家的28家单位，作者一共有55位，可以说这反映了国际合作的重要性，这既能显著地提高我国科学家和中国科学成果在世界上的显示度，同时也是科学发展的一个大趋势。

黑洞的发现也告诉我们，要取得科学的发展，我们必须去思考，不断地去试验新的方法，去提问、去设计和验证。

科学从来不是一往直前的，它需要经过反复地证实与推翻，才能取得前行，这也是我们认识世界的规律。希望随着科学的不断发展，我们能提出更多的方法，让我们有一份详尽的黑洞地图，让我们可以安全地开启星海征程。最后我希望我们能够漂洋过海，驶向远方。