问题

如何看待我国天文学家用 LAMOST 发现迄今最大的恒星级黑洞?意味着我国天文观测进入到哪一个水平了?

回答
我国天文学家用 LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞,意味着什么?

最近,中国科学院国家天文台的科学家们通过LAMOST(郭守敬望远镜)取得了一项令人瞩目的成就——发现了一个迄今为止质量最大的恒星级黑洞。这个发现不仅在天文学领域引起了广泛关注,更重要的是,它标志着我国天文观测能力进入了一个全新的、具有国际顶尖水平的阶段。

什么是恒星级黑洞?

在深入探讨这项发现的意义之前,我们首先需要理解什么是恒星级黑洞。黑洞是宇宙中极端天体,它们的引力如此之强,以至于连光都无法逃脱。我们通常听说过的“超大质量黑洞”存在于星系的中心,质量是太阳的数百万倍甚至数十亿倍。而恒星级黑洞,顾名思义,是由大质量恒星在生命末期引力坍缩形成的。当一颗质量足够大的恒星耗尽其核燃料时,它会无法支撑自身的引力而发生剧烈坍缩,最终形成一个密度极高的致密天体——恒星级黑洞。

这些黑洞的质量通常是太阳质量的几倍到几十倍。虽然“恒星级”听起来不如“超大质量”那么震撼,但在我们银河系中,恒星级黑洞的研究对于理解恒星演化、黑洞形成机制以及引力波的起源至关重要。

LAMOST的“巨眼”与这次的“大发现”

LAMOST,全称“光谱多目标巡天望远镜”,是中国自主建造的大型天文观测设备。它的独特之处在于其强大的“多目标”能力——能够在一次观测中同时获取数千个天体的光谱信息。光谱是天体的“指纹”,包含了它们的光度、温度、化学组成、运动状态等大量关键信息。通过分析这些光谱,天文学家能够推断出天体的性质。

这次发现的恒星级黑洞,其质量惊人,达到了太阳质量的70倍左右。这打破了此前关于恒星级黑洞最大质量的认知上限。传统理论认为,大质量恒星在演化过程中会通过恒星风等方式损失大量质量,很难形成超过几十个太阳质量的恒星级黑洞。此次发现的这个“巨无霸”黑洞,其质量为何如此之大,成为了天文学家们需要深入研究的课题。

具体是如何发现的呢?

科学家们并非直接“看见”了黑洞,因为黑洞本身不发光。他们的研究方法是寻找黑洞的“伴侣”——一颗普通恒星。当一个黑洞与一颗恒星成对存在时,黑洞强大的引力会吸引伴侣恒星的气体,形成一个围绕黑洞旋转的吸积盘。这个吸积盘在高温下会发出强烈X射线辐射,同时也会对伴侣恒星的运动产生明显影响。

LAMOST通过其强大的光谱巡天能力,监测了大量恒星的光谱和运动。在对某个特定系统进行详细分析时,科学家们发现一颗恒星的运动速度异常之快,且这种快速运动是以一种奇特的方式周期性变化的。通过对这些运动数据的精确建模,他们排除了其他可能性的解释,最终确定这颗恒星正在围绕一个质量极大的、不可见的致密天体运动,这个天体就是新发现的恒星级黑洞。

这个新发现的黑洞之所以如此引人注目,还在于它的伴侣恒星。这颗伴星的质量约为太阳的10倍,并且光谱显示其富含金属(在天文学中,“金属”指除氢和氦以外的所有元素)。科学家们猜测,这颗伴星可能是在一个富含重元素的星云中形成的,而这个富含重元素的星云,很可能也为形成巨型恒星级黑洞提供了条件。

我国天文观测进入了什么水平?

这项重大发现,直接证明了我国天文观测能力已经跃升至 国际顶尖水平,并且在某些领域展现出 领先的创新能力。具体体现在以下几个方面:

1. 强大的巡天能力和数据处理能力: LAMOST作为一项“天眼”,其一次观测能捕捉数千个天体的光谱,这为发现罕见天体提供了海量的数据基础。更重要的是,我国科学家能够从这些海量、复杂的光谱数据中,精准地识别出异常信号,并通过精密的建模和分析,最终确定黑洞的存在及其质量。这背后是先进的望远镜硬件、高效的数据采集系统以及强大、创新的数据处理和分析算法。

2. 引领性的研究方向和方法: 长期以来,恒星级黑洞的质量上限一直是天体物理学界的未解之谜。我国科学家通过LAMOST对银河系中大质量恒星的系统性巡测,直接挑战并可能改写了现有的理论模型。这表明我国天文学界不仅能够跟进国际前沿,更能主动出击,开辟新的研究方向,并找到有效的观测手段去验证。

3. 自主创新能力和人才培养: LAMOST项目本身就是我国自主研发的重大天文科学工程,从望远镜的设计、制造到观测策略和数据分析,都凝聚了我国科学家的智慧和汗水。此次重大发现,也充分证明了我国在天文学领域培养和汇聚了一批高水平的研究人才,他们能够独立思考、勇于探索,并取得世界级的科研成果。

4. 深远的科学意义和国际影响力: 发现质量如此之大的恒星级黑洞,对于理解大质量恒星的演化末期、恒星级黑洞的形成机制(例如,是否需要特殊的形成环境,或者是否存在未被发现的形成通道),以及对引力波天文学的发展都有着极其重要的意义。这项发现将极大地推动国际天文学界对相关问题的研究,我国天文学的研究成果将为全球科学界提供宝贵的洞见,极大地提升我国在国际天文舞台上的话语权和影响力。

更进一步地说,这次发现意味着:

我们不再只是“追赶者”,而是“引领者”: 过去,我们在很多天文领域可能处于追赶国际前沿的地位。但这次发现,特别是对理论预测的突破,表明我们在一些关键领域已经走在了前面,能够提出并验证新的科学设想。
“中国制造”的天文仪器正在输出“中国智慧”: LAMOST不仅仅是一个观测设备,它是承载我国科学思想和研究能力的平台。它的成功运用,证明了我国在先进天文科学仪器研发和应用上的实力。
多学科交叉融合的潜力: 这一发现的背后,必然涉及了恒星物理、黑洞物理、X射线天文学、引力波天文学以及计算机科学等多方面的知识和技术。这预示着我国在推动多学科交叉融合研究方面也取得了长足进步。

当然,天文学的研究是一个不断深入的过程。这次发现只是一个里程碑,接下来科学家们还需要利用LAMOST以及其他先进的观测设备(如中国的“悟空”号暗物质粒子探测卫星,未来的平方公里阵列射电望远镜SKA等),对这个巨大的恒星级黑洞及其伴星系统进行更深入、更细致的研究,例如精确测量其轨道参数,分析伴星的光谱演化,以及寻找其是否可能与引力波事件相关联。

总而言之,我国天文学家用LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞,绝不仅仅是一项单纯的科学发现。它是我国科技实力、自主创新能力和国际影响力全面提升的生动体现,标志着我国天文观测和研究已然跻身世界一流行列,并将在未来的宇宙探索中扮演越来越重要的角色。

网友意见

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本回答授权转载自“ 中国科学院国家天文台”,转载请联系 jyhuang@nao.cas.cn

先描述下成果~

北京时间2019年11月28日凌晨,国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的一项重大发现。中国科学院国家天文台刘继峰研究员、张昊彤研究员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,并提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)巡天优势寻找黑洞的新方法,这颗70倍太阳质量的超大恒星级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,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

宇宙吸光器

霍金在其最后的著作《十问》中写道,“事实有时候比小说更奇妙,黑洞最能真实地体现这一点,它比科幻作家想象的任何东西都更奇妙”。

本身不发光,密度非常大(把10倍于太阳质量的恒星压缩到直径为北京六环大小的球体中,这样的密度就相当于黑洞的密度),具有超强的吸引力,任何从其身边经过的物质,包括速度最快的光也无法逃离,这种神奇的天体就是黑洞。

因此可以说,黑洞是名副其实的宇宙真空“吸光器”。

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、中等质量黑洞和超大质量黑洞。恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的。当一颗恒星演化到最后剩下的质量太多(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引力的作用下持续塌缩,最终形成致密的黑洞。

黑洞神秘而有趣,它们若龙潜深渊,隐藏爪牙,潜行于宇宙时空中。既然黑洞本身不发光,天文学家如何在茫茫宇宙中寻找它们呢?这就要靠它们身边的“高调”的小伙伴们了~

黑洞周边的吸积盘或者伴星都会表现出异样的“气场”。如果黑洞与一颗正常恒星组成一个密近双星系统,黑洞就会露出狰狞的爪牙,以强大的胃口直接把恒星上的气体物质吸过来,形成吸积盘,发出明亮的X射线光,这些X射线光如同物质被黑洞吞噬前的“回光返照”,就是这一 “照”,成为天文学家过去这些年追寻黑洞踪迹的强有力线索(图一)。

迄今为止,天文学家发现的二十多颗恒星级黑洞几乎都是通过黑洞吸积伴星气体所发出的X射线来识别的,质量均在3到20倍太阳质量。

理论预测,银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞,而在黑洞双星系统中,能够发出X射线辐射的只占一小部分。长期以来,天文学家认为径向速度监测可以发现X射线微弱的“平静态”黑洞,这颗迄今最大质量黑洞的发现恰好证实了这点。

星星在绕“谁”运动?

国家天文台刘继峰研究员和张昊彤研究员领导的研究团队,在浩瀚星海中发现了一个表现异常的双星系统,这其中是否包含一颗深藏不露的黑洞呢?

700多天饱含艰辛和精彩的追逐之路,给出了令人惊喜的答案。

2016年初,LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出利用LAMOST观测双星光谱,开展双星系统的研究计划,并选择了开普勒一个天区(K2-0)中的3000多个天体进行了为期两年之久的光谱监测。

其中,一颗“走路拉风”的B型星成功引起了研究人员的关注。

除了表现出规律的周期性运动,光谱中一条近乎静止且运行方向和B型星相反的明线(Hα发射线)给这颗星增添了足够的神秘感。研究人员怀疑这颗B型星背后一定有故事,它到底在绕着看不见的“谁”运动?莫非是黑洞?

为了进一步发掘这颗B型星背后的真相,研究人员申请了西班牙10.4米口径加纳利大望远镜(GTC)和美国10米口径凯克望远镜(Keck)的光谱观测,确认了B型星的性质。

通过拟合B型星和Hα发射线的速度曲线(图二),结合B型星的质量大小(8倍太阳质量),研究人员计算出,该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体,它只能是黑洞。

就这样,天文学家们成功找到了B型星背后的“大BOSS”。

这样的结果无疑是令人兴奋的,也再一次令人感慨,机遇永远都是留给有准备的人 ,没有两年前茫茫星海的“撒网”,便没有今天这个“主角”的出现。

为了纪念LAMOST在发现这颗巨大恒星级黑洞上做出的贡献,天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。

与其他已知的恒星级黑洞不同,LB-1从未在任何X射线观测中被探测到,这颗黑洞和它的伴星相距较远(1.5倍日地距离),是一个“平静温和”的恒星级黑洞 “冠军”。

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恒星级黑洞。这颗银河系内70倍太阳质量黑洞的发现,再一次刷新了人类对于恒星级黑洞质量上限的认知。

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环境中,LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。但是,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,而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”。

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”。

“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就

这颗 “黑洞之王”的发现,充分证实了LAMOST望远镜强大的光谱获取能力。LAMOST拥有4000颗眼睛(光纤),一次能观测近4000个天体,2019年LAMOST成为全球首个突破千万的光谱巡天项目,被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。

在这颗超级黑洞的发现过程中,LAMOST历时两年对一个天区内的3000多个目标进行了26次观测,累计曝光时间约40小时。如果利用一架普通四米口径望远镜专门来寻找这样一颗黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间,这充分体现了LAMOST望远镜超高的观测效率。

“工欲善其事必先利其器”,LAMOST这台“天文利器”助力天文学家发现了今天的主角“黑洞之王”,而“黑洞之王”的现身也为“光谱之王”——LAMOST增添了更多精彩。

这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞,是LAMOST发现的第一颗黑洞,它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。“光谱之王”和“黑洞之王”的彼此成就也将成为天文界津津乐道的一段佳话。

利用LAMOST大规模巡天优势和速度监测方法,相信天文学家在未来还将发现一批深藏不露的平静态黑洞, 从而逐渐揭开这个黑暗家族的内幕,为研究黑洞形成演化及质量分布迈出标志性的一步。


本文作者:

王松,中国科学院国家天文台助理研究员,主要从事黑洞双星和恒星活动性的研究。

李双,中国科学院国家天文台工程师,LAMOST运行和发展中心宣传主管。

陆由俊,中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学岗位教授,研究方向为理论天体物理,包括黑洞物理、引力波天体物理和星系宇宙学。

刘继峰,中国科学院国家天文台副台长、研究员,中国科学院大学天文与空间科学学院常务副院长。研究方向包括致密双星,恒星活动性等。

轮值主编:陆由俊(国家天文台研究员)

编辑:黄京一、蔡琳、柒柒

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谢邀,拉磨(划去)郭守敬望远镜这个工作发表在最新的《自然》杂志上,作者里面也是有不少熟悉的名字。

因为不是做这个方向的,所以简单说一下个人的理解吧。

1. 发现了什么?

一颗68倍太阳质量的黑洞(LB-1),在目前发现的恒星级黑洞里面是最大的(这点可以参考 @刘博洋 的回答)。

恒星级黑洞是通过单个恒星演化、多个恒星相互作用形成的,通常也就是几个几十个太阳质量;还有另外一种黑洞是盘踞在星系中心的“超大质量黑洞”,可以达到几百万甚至若干亿倍的太阳质量,这种可能是由巨大的气体云塌缩产生的。虽说同样是黑洞,恒星级黑洞和超大质量黑洞从出身到块头都有天壤之别。至于它们中间那些,好像还在研究中。

LB-1这个黑洞的质量其实是68(+11/-13)倍的太阳质量,不过一般新闻会说是70,一方面天文误差你懂的,另一方面可能是为了防止读者看晕......

2. 意义是什么?

提供了一种利用郭守敬望远镜(LAMOST)巡天优势寻找黑洞的新方法,这颗70倍太阳质量的超大恒星级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,势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

3. 目前的观测水平:

不论是地基望远镜还是天文卫星,目前我国跟欧美比还是有一些差距的,光是美国航天局(NASA)一家的在轨天文卫星都能组一个舰队了,而我国现有的天文卫星只要一只手就数得过来,所以还要努力追赶。

最后是两张网页截图,亮点自寻。


参考资料:

国家天文台的新闻

《自然》杂志的文章

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我期待着LAMOST成为第一个发现可能的地外生命的人类望远镜。




关于郭守敬望远镜的技术细节,已经有很多人说了,实际上它在百度百科里面的介绍就非常详细和通俗,这里想将一个微不足道但是很有意思的用途。


LAMOST作为一台大视场望远镜,可以将遥远天体的光分别传输到多台光谱仪中,同时获得它们的光谱,成为世界上光谱获取率最高的望远镜。这一特性使它成为寻找地外生命的利器,拥有极高的效率。当然它的主要任务不是这个,但是万一很意外的发现了呢?

在外层空间,游离氧是一种非常稀罕的东西,因为氧是一种非常活泼的元素,绝大多数情况下是以化合物的形式存在。我们的地球大气层之所以有这么高的氧气含量,是因为包括藻类在内的植物光合作用,将化合物里的氧释放出来。

在发现系外行星的过程中,尤其是对于类地行星,通常采用观察“凌日现象”的方法。如果一颗行星刚好处在它的恒星和我们中间,我们管这一现象叫“凌日”。这时候我们会发现那颗恒星亮度下降,排除其它可能性之后,我们就发现了一颗系外行星。实际上使用这种方法,我们已经确认了上百颗系外行星,其中有不少是类地行星。

发生凌日现象的时候,原有恒星的光谱会发生变化,这是凌日行星大气层造成的。根据恒星光谱被行星大气层吸收的情况,我们叫“吸收谱”,可以确定这一颗遥远行星的大气成分。


如果在这个吸收谱中发现了氧,大量的氧,我们几乎可以肯定这颗行星上存在生命,正在发生光合作用。

至于文明的出现还不好说,文明的标志性产物改变大气结构需要时间,而且很可能“窗口期”很短。外星文明会不会采取跟人类一样的文明发展路径?他们的文明产生的标志物会是什么?有没有可能他们的文明已经度过了改变大气层结构的阶段,已经迈进下一个阶段了?


不管怎么样,只要标志物存在,LAMOST就有可能发现。


不管是生物的标志物:氧,还是文明的标志物:工业排放气体,LAMOST作为一台人类造出来光谱获取效率目前最高的望远镜,同时还有足够的口径,是非常有希望发现的。实际上,要分辨26光年外一颗距离自己的恒星一天文单位的行星,理论上一米口径的望远镜就够了。LAMOST的口径足够满足观测系外行星的光学分辨率,我十分看好也十分好奇它在这方面的表现。




发现超大“恒星级”黑洞,只是证明了人类现在建立的恒星模型还不够完善。通常我们认为恒星模型已经相当完善了,基本上所有恒星都能用人类已知的模型去描述。这一次的发现证明了人类还很naive,宇宙里还有许多许多我们意想不到的怪异恒星。当然,物理学家脸皮厚的很,他们从不打肿脸充胖子,而是老老实实根据观测结果修改自己的模型。


而发现并确证地外生命的存在,意义完全不一样。


这将从根本上改变人类对自己的定位,改变对生命和文明的认识方式,确证自己到底孤独不孤独。搞清楚费米悖论无论如何都是一件很重要的事情,宇宙到底是空无一物还是挤满了生命,将决定人类的未来。通过LAMOST强悍的光谱获取效率,我们还能搞清楚德雷克方程里面最重要、却未知的重要因子,从而搞清楚宇宙中生命到底有多少。


这一切如果真的能靠中国人的设备实现的话,我觉得意义不亚于首次登月,中国人代表全人类实现第一次“零类接触”,是一件真的能让人心潮澎湃的事情。


这就是大型科学设备和大型科学工程的魅力。

敲爱拉磨的!

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