如果质量超过理论上限它揭示了黑洞的另一种存在方式

最近，顶级国际科学杂志《自然》在网上发布了一项重大发现。中国科学院国家天文台的刘继峰和张郝彤研究小组发现了迄今为止质量最大的恒星黑洞，并利用郭守敬望远镜的天空探测优势提供了一种寻找黑洞的新方法。

这个质量是太阳质量70倍的超大质量恒星黑洞，远远超出理论预测极限，颠覆了人们对恒星黑洞形成的理解，必将推动恒星演化和黑洞形成理论的创新。

在过去，只能找到“暴力”黑洞。

霍金在他的最后一本书《十问》中写道，“黑洞比科幻作家想象的任何东西都要奇妙。”黑洞本身不发光，密度非常高，这相当于把一颗太阳质量10倍的恒星压缩成一个北京六环大小的球体。它具有极强的吸引力，任何经过它的物质，即使是光，也无法逃脱。黑洞是宇宙的“光吸收器”。

黑洞大致可分为恒星黑洞(低于太阳质量的100倍)、中等质量黑洞(约为太阳质量的100至100，000倍)和超大质量黑洞(高于太阳质量的100，000倍)。恒星黑洞是由大质量恒星的死亡形成的。当一颗恒星到达其生命终点时，如果剩余质量是太阳质量的3倍以上，它既不能形成白矮星，也不能形成中子星，并且没有力量阻止最终重力塌缩成黑洞。

龙千深渊，隐藏的爪子。黑洞本身不发光，所以天文学家很难在广阔的宇宙中看到它。

但是黑洞周围的小朋友声音太高，他们周围的吸积盘或伴星都显示出奇怪的“光环”。如果黑洞和正常恒星形成一个封闭的双星系统，黑洞将暴露出它凶猛的爪子，直接从恒星伴星吸取气态物质，形成吸积盘，发射“明亮”的x光。这些x光就像黑洞吞噬这些物质之前的“闪回”，这是天文学家在过去几年追踪黑洞的线索。

到目前为止，银河系中几乎所有已知的恒星黑洞都是由黑洞吸积伴星气体发出的x光识别的。在过去的50年里，人们发现了大约20个质量在太阳质量3到20倍之间的黑洞。银河系中有数千亿颗恒星。根据理论预测，银河系中应该有数亿个恒星级黑洞。然而，在黑洞双星系统中，只有一小部分能发射x光辐射。

两年的监测发现天体

刘继峰和张郝彤的团队在浩瀚的星海中发现了一个异常的双星系统。700天的追逐充满了艰辛和精彩。

2016年初，LAMOST科学巡逻部主任张郝彤和中国科学院云南天文台成员韩闻战提出用LAMOST观测双星光谱，并选择了3000多个天体进行为期两年的光谱监测。其中，b型星“走拉风”吸引了研究者的注意。

除了获得有效温度、表面重力和金属丰度等重要信息外，光谱中一条几乎静止的亮线(Hα发射线)及其运行方向和B型恒星的相反相位给这个天体增添了全部神秘。研究人员怀疑在这颗B型星背后有人。

21西班牙10.4米加那利望远镜(GTC)的观测和美国10米凯克望远镜的7次高分辨率观测进一步证实了乙类恒星的性质。

B型恒星的金属丰度约为太阳丰度的1.2倍，质量约为太阳质量的8倍，年龄约为3500万年，距离我们14000光年。根据B型恒星和Hα发射线的速度和振幅之比，它的伴星应该是一个不可见的天体，质量大约是太阳质量的70倍。它只能是一个黑洞。

LB-1黑洞从未在任何x射线观测中被探测到。研究人员用美国钱德拉X射线天文台观察到了这个源头，发现新发现的黑洞与其伴星的吸积非常微弱，是一个“平静温和”的恒星黑洞“冠军”。

特殊金属丰度指向理论上的“禁区”

自2015年以来，引力波观测到

恒星有一个叫做金属丰度的属性，它指的是恒星中非氢元素和氦元素的比率。论文的第一作者刘继峰说，一般模型认为大质量恒星黑洞主要形成于金属丰度低(少于太阳金属丰度的1/5)的环境中，而LB-1有一颗金属丰度与太阳相似的B型恒星。目前，恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成质量高达太阳25倍的黑洞。因此，LB-1中的黑洞质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。

现有的理论认为恒星在形成黑洞之前会吹出恒星风来失去物质，所以恒星黑洞并不特别重。宇宙中最重的恒星只有几百个太阳质量，理论预测在其演化后期形成的黑洞最大质量超过20个太阳质量。以前发现的黑洞都没有超过这个数量级。

LB-1的发现可能意味着恒星演化形成黑洞的理论将被改写，或者某种黑洞形成机制以前被忽略了。

另一种可能性是LB-1中的黑洞可能不是由恒星的坍缩形成的。研究人员怀疑LB-1最初是一个三体系统。观测到的B型恒星位于最外层轨道，是质量最小的组成部分。然而，当前的黑洞是由原始内部双星形成的两个黑洞合并而成的。在这种情况下，该系统将是黑洞合并事件的优秀候选，并为研究三体系统中双黑洞的形成提供了一个独特的实验室。

“光谱之王”和“黑洞之王”已经实现了彼此。

天文学家命名这个包含黑洞LB-1的双星系统，以纪念LAMOST对发现这个巨大恒星黑洞的贡献。

这个“黑洞之王”的发现充分证实了LAMOST望远镜强大的光谱采集能力。LAMOST有4000只“眼睛”(4000根光纤)，一次可以观察近4000个天体。

2019年3月，LAMOST公开发布了1125万个光谱，成为世界上第一个突破1000万的光谱调查项目。天文学家称赞LAMOST是世界上光谱采集率最高的“光谱之王”。

从2016年11月开始，为了发现和研究光谱二进制，研究人员使用LAMOST在两年内观测了3000多颗恒星26次，累积曝光时间约为40小时。如果一个普通的4米望远镜被用来寻找这样一个黑洞(一年365天，一天8小时)，同样的概率，它将需要40年！这充分体现了LAMOST超高的观察效率！

“如果一个工人想做好工作，他必须首先使用他的工具”。这个迄今为止质量最大的恒星黑洞标志着利用LAMOST的天体优势寻找黑洞的新时代的到来。

我相信“光谱之王”和“黑洞之王”的共同成就将成为天文学上的一个好故事。

LB-1是一个具有安静x光辐射的二元系统。用传统的x光方法寻找这样的黑洞是不可行的。长期以来，人们一直认为径向速度监测可以找到一颗平坦而静止的黑洞双星，这一点被迄今为止质量最大的黑洞的发现所证实。利用LAMOST在大规模天空勘测和速度监测方法上的优势，我相信天文学家会发现一批隐藏的扁平静态黑洞，从而逐渐揭开这个“黑暗家族”的内幕，并为研究黑洞成员的形成和演化及其质量分布迈出了里程碑式的一步。正如LIGO导演大卫·雷评论的那样，LB-1的发现将促进黑洞天体物理学研究的复兴。