恒星级黑洞

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恒星级黑洞（英语：stellar black hole） [1]  是一种大质量恒星（大约20倍太阳质量，但其真实质量并未证实，而且也取决于其他变数）引力坍塌后所形成的黑洞，可以借由伽玛射线暴或超新星来发现它的踪迹，其质量是五至数十倍的太阳质量。已知质量最大的恒星黑洞是70倍太阳质量即LB-1。由中国天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）发现，另外，也有证据证明IC 10、天鹅座X-1是一个拥有24至33倍太阳质量的恒星黑洞。
恒星级黑洞由大质量恒星死亡形成，是宇宙中广泛存在的“居民”，理论预言银河系中有上亿颗恒星级黑洞。 [2] 

  • 中文名

  • 恒星级黑洞 [1]

  • 外文名

  • stellar black hole [1]

  • 别    名

  • 恒星黑洞、恒星质量黑洞

  • 分    类

  • 黑洞

基本概念

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黑洞吸积喷射出X射线的艺术想象图

黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，如同一个宇宙“吞噬之口”，连光也无法逃逸。

天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的 “居民”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞，而在星系的中心存在着超大质量黑洞，比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。 [3] 

属性

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根据广义相对论，可以存在任何质量的黑洞。质量越少，形成黑洞所需的密度就越高（史瓦西半径）。直至目前为止，还没有发现任何可以制造少于1个太阳质量的黑洞方法。但如果它们存在，它们极有可能是微黑洞。
恒星的引力坍缩是一个形成黑洞的自然过程。当恒星寿终正寝时，即所有能量耗尽后，引力坍缩是无可避免的事态。如果恒星的坍塌质量低于临介值时，将会生成白矮星或中子星的致密星。这些星体拥有极大的质量，所以，如果致密星的质量超过此临介值时，引力坍塌会继续，然后突变为重力坍塌，形成黑洞。虽然还没证实到中子星的最大质量，但估计也有3倍太阳质量。直至目前为止，质量最小的黑洞大约有3.8倍太阳质量。 [4] 
另外，也有观察证据证明有两种质量比恒星黑洞更大的黑洞，它们是中介质量黑洞（位于球状星团的中心）和超大质量黑洞（位于银河系和活动星系核的中心）。
一个黑洞最多只能拥有以下三个特性：质量、电荷和角动量（旋转）。所有自然生成的黑洞都会旋转，但并没有确实观察旋转状况。恒星黑洞的旋转是因为恒星的角动量守恒而造成的。

X射线致密双星系统

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当物质从黑洞的伴星转移至黑洞时，在双星系统中的黑洞是可以观测到的。掉落至致密伴星的质量释放出的能量非常巨大，这使得物质的温度升高至数亿度的温度。因此可以用X射线观察黑洞，而伴星可以用光学望远镜观测。从黑洞和中子星释放出来的能量有相同的数量级，使黑洞和中子星经常难以区分。
但是，中子星还有其他的特性。它们自转不同，并且有磁场和呈现局部的爆炸现象（热核爆炸）。每当观测到这些特性，就可以判断致密双星的伴星是中子星。
推导出的质量来自对致密X射线源的观测（结合X射线和可见光波段的数据），所有被辨认出为中子星的质量都在3-5倍的太阳质量，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的系统都未显露出中子星的特征。结合这些事实，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的很可能是黑洞。
值得注意的是，黑洞存在的证据不仅是从地球上观测到的，也来自理论：在如此的双星系统中，除了黑洞之外，没有任何天体可以做为这个致密天体的伴星。如果能直接观察到一个微粒（或气体云）坠落进入黑洞的轨道，就可以直接证明黑洞的存在。

观测发现

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2010年1月，天文学家使用欧洲南方天文台甚大望远镜观测结果显示，关于星系中的恒星级黑洞的研究项目再次有了新发现。随着2007年公布的在M33星系内发现了一个具有15倍太阳质量的黑洞之后，这次发现的恒星级黑洞则将距离扩展到了600万光年。恒星级黑洞背后所蕴藏的奥秘越来越令人琢磨不透。 [5] 
从2015年起，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）的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞，质量远高于先前已知的银河系里的恒星级黑洞。 [3] 

中国科学院国家天文台LAMOST发现迄今最大恒星级黑洞发布会

北京时间2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。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），研究团队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。 [6] 

研究成果

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2010年1月最新公布的数据表明，这个远离地球600万光年的黑洞位于一个螺旋状星系内，即NGC300。谢菲尔德大学天文学教授称，它是我们迄今观测到的最远的恒星级黑洞，也是人类第一次在银河系周边范围之外发现这个级别的黑洞。
早在2007年，美国国家航空航天局使用X射线探测器对NGC300内部最强烈的X射线源进行了观测，这个研究项目要早于欧洲空间局XMM-牛顿X射线空间天文台的观测。
而来自欧空局的相关人员解释道：“我们将定期对强烈的X射线源进行记录，有迹象表明黑洞会隐藏在这个区域。”我们知道，由于物质在被黑洞吸积过程中，引力势能转化为物质的动能，在转化为热能，在离黑洞最近的吸积盘内区，X射线的辐射是最强的，所以通过对X射线辐射量的观测，可以得到一些黑洞的行为特性。
在对这个黑洞的观测中，天文学家发现它的伴星质量达到了20倍太阳质量，而且他们相互之间剧烈的旋转，就像绚丽的华尔兹，一个周期只有32个小时。同时，这颗伴星上的大量物质也被剥离，吸入黑洞，由此形成吸积盘。
以往在银河系内发现的恒星级黑洞质量达到10倍太阳质量，这个级别的黑洞的银河系外可能也只算个轻量级的。像一个黑洞和一个伴星组成的系统在以往的观测中被发现过，所以天文学家对这类的天体系统还是比较了解，基于这个天体系统，天文学家可以发现黑洞的物质与星系化学之间的关系，他们相信高浓度的重元素将影响一个大质量恒星的演化。
2019年11月28日，主导发现迄今为止最大质量的恒星级黑洞LB-1的中国科学院国家天文台刘继峰研究员介绍说，一般模型认为大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度（低于1/5太阳金属丰度）环境中，LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写，或者以前某种黑洞形成机制被忽视。LIGO台长大卫.雷茨评论说，“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质量黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里LIGO及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”。 [3] 
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