黑洞是宇宙中最神秘的天體之一，速度最快的光都無法逃離它超強的引力。正因如此，黑洞也是研究極強引力和極高密度條件下物理規(guī)律的宇宙天然實驗室，而搜尋不同質量的黑洞是黑洞天體物理研究的關鍵。目前，科學家開展了“黑洞獵手計劃”，以郭守敬望遠鏡等獲得的大規(guī)模光譜巡天數(shù)據(jù)為基礎，搜尋一大批“深藏不露”的寧靜黑洞。

(資料圖)

小質量黑洞缺失意味著什么

黑洞是宇宙中最神秘的天體之一。它本身不發(fā)光，看不見摸不著，具有超強的引力，任何從其身邊經(jīng)過的物質，包括速度最快的光都無法逃離。如果把太陽壓縮為半徑3公里的球體——對于人而言，3公里大約需要步行40分鐘——太陽壓縮后的密度相當于黑洞的密度。可以說，黑洞是研究極強引力和極高密度條件下物理規(guī)律的宇宙天然實驗室。

天文學家按照質量將黑洞分為三類：位于大型星系中心、如饕餮巨獸般吸積周圍物質的超大質量黑洞（百萬倍太陽質量以上），大質量恒星死亡坍縮產(chǎn)生的恒星級黑洞（100倍太陽質量以下），以及數(shù)量極為稀有、被稱為前面二者之間橋梁的中等質量黑洞。

過去60多年來，人們對銀河系中恒星級黑洞的研究取得了長足進展，發(fā)現(xiàn)了一批孤立和雙星系統(tǒng)中的黑洞候選體，對其位置、運動、輻射、時變、光變等特征進行了詳細的觀測，從而對它們的結構、形成和輻射性質有了比較深刻的理解。但仍有一些關鍵性的基本問題尚待解答，比較有代表性的是黑洞的質量分布問題。

在現(xiàn)有超新星爆炸理論模型下，給定銀河系恒星的初始質量函數(shù)，人們預測銀河系中應該有數(shù)千萬顆恒星級黑洞，黑洞的質量連續(xù)分布于3倍太陽質量到20倍太陽質量之間，并且質量越小，黑洞的數(shù)量越多。然而，到目前為止，人們在銀河系中只證認了約20顆恒星級黑洞，這些黑洞的質量分布和理論上的連續(xù)分布非常不同，表現(xiàn)為沒有低于5倍太陽質量的黑洞，也就是小質量黑洞缺失問題。

究其原因，可能是現(xiàn)有的超新星爆炸理論不完善，需要進行修改，也可能是目前證實的黑洞數(shù)目太少，統(tǒng)計樣本不完備。由于在理論上研究超新星爆發(fā)過程還存在諸多不確定因素，很難給出決定性的判斷依據(jù)，因而在銀河系中搜尋恒星級黑洞等致密天體并建立大規(guī)模樣本，研究其空間和動力學質量分布成為解決上述問題的關鍵，也是最為可行的技術手段。

怎么搜尋恒星級黑洞

到目前為止，天文學家搜尋恒星級黑洞主要依靠以下五種方法：

第一種方法是引力波。廣義相對論預言，雙致密天體系統(tǒng)并合會釋放引力波。可以通過引力波實驗聆聽“時空震顫的漣漪”，推知雙黑洞并合事件，并得到并合前兩顆恒星級黑洞的質量。2015年9月14日，美國激光干涉引力波天文臺發(fā)現(xiàn)了第一起雙黑洞并合事件(GW150914)，由兩顆分別為36倍和29倍太陽質量的黑洞，并合為62倍太陽質量的黑洞，其中約3倍太陽質量以引力波的形式釋放出去。目前，美國激光干涉引力波天文臺和歐洲室女座干涉儀已經(jīng)探測到了約百起雙黑洞并合事件。

第二種方法是X射線。如果黑洞與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統(tǒng)，黑洞就會露出猙獰的“爪牙”，以強大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體物質吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線。該方法以X射線為探針，進一步通過監(jiān)測伴星的運動，測量黑洞質量并確認其存在。20世紀60年代，第一個恒星級黑洞候選體天鵝座X-1因其X射線輻射被發(fā)現(xiàn)。

第三種方法是視向速度。在黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的只占一小部分。當黑洞和它的伴星距離較遠時，將不會發(fā)生吸積，也不會產(chǎn)生X射線。此時，可以通過大規(guī)模監(jiān)測恒星運動，來尋找雙星中不可見的天體。想象你與一個隱身人在冰面上手拉手旋轉，我們雖然無法看到隱身人，卻可以通過你的運動來推知隱身人的存在。2014年，MWC 656是第一例通過視向速度方法發(fā)現(xiàn)的黑洞。

第四種方法是微引力透鏡。假想有一個前景天體，當其經(jīng)過一個背景恒星前面時，背景恒星發(fā)出的光，會有一部分被前景天體偏折，然后被我們觀測到。我們會發(fā)現(xiàn)兩個現(xiàn)象：一是出現(xiàn)了一個環(huán)或者兩個像；二是背景恒星突然變亮了。這就是引力透鏡現(xiàn)象。如果只能觀測到第二個現(xiàn)象，則稱為微引力透鏡。從本世紀初開始，已經(jīng)通過該方法發(fā)現(xiàn)了多例黑洞候選體，但直到2022年，才比較確切地證認了第一例黑洞MOA-2011-BLG-191。

第五種方法是天體測量方法。對于雙星來說，它們繞雙星質心轉動，不但會產(chǎn)生視向速度周期性變化，其在天球上的位置也會發(fā)生周期性變化。雖然雙星運動造成的天體在天球上的位置變化非常微小，但歐洲蓋亞探測器在最好的情況下可以達到數(shù)十個微角秒的天測精度，可以探測到伴星除自行和視差外、由致密天體吸引造成的位置變化。2022年，已經(jīng)有數(shù)例天體測量方法與視向速度方法結合發(fā)現(xiàn)的黑洞得到了證認，如Gaia BH1。

這幾種方法有各自的適用范圍：引力波方法適用于雙致密星系統(tǒng)；X射線方法適用于雙星距離較近且存在吸積（強X射線輻射）的情況；視向速度方法適用于雙星距離較遠且無吸積（無/弱X射線輻射）的情況；引力透鏡適用于發(fā)現(xiàn)孤立黑洞；天體測量方法在發(fā)現(xiàn)距離遙遠且軌道周期很長的雙星系統(tǒng)方面具有獨特優(yōu)勢。

如何找出更多“深藏不露”的黑洞

天文學是一門觀測驅動的學科，其發(fā)展與望遠鏡的性能息息相關，而一項新技術的發(fā)展也會催生新的黑洞搜尋方法。

以視向速度方法為例，1783年，英國物理學家約翰·米歇爾就曾提出，可以通過觀測周圍天體的運動來尋找看不見的天體。20世紀60年代，天文學家已經(jīng)調集大量觀測資源，試圖利用徑向速度監(jiān)測的方法尋找黑洞，但是由于設備靈敏度、數(shù)據(jù)質量等問題，最后無功而返。直到我國的“大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡”，即郭守敬望遠鏡（LAMOST）的建成，才使得利用視向速度方法大規(guī)模搜尋黑洞成為可能。

LAMOST是我國自主研制、全世界光譜獲取率最高的光譜望遠鏡之一。它擁有4000顆眼睛（光纖），因此每次能觀測近4000個天體。2023年3月30日，中國科學院國家天文臺對國內(nèi)天文學家和國際合作者發(fā)布了LAMOST DR10數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集包含光譜總數(shù)超過兩千萬條，約是目前國際上其他巡天望遠鏡發(fā)布光譜數(shù)之和的3倍。LAMOST成為世界上首個發(fā)布光譜數(shù)突破兩千萬的巡天項目，為天文學家搜尋特殊天體、探索銀河系形成與演化等提供了最有力的數(shù)據(jù)支持。

從2016年秋季開始，以國家天文臺為首的研究團隊利用LAMOST開展雙星課題研究，對一個小天區(qū)內(nèi)3000多顆恒星進行了歷時兩年之久的監(jiān)測。其中，一顆在反銀心方向的B型星表現(xiàn)出了奇特的光譜特征：具有明顯周期性運動的恒星吸收線（來自B型星）和具有小振幅反相位運動的寬Hα發(fā)射線（來自某不可見天體）。研究人員通過擬合視向速度曲線得出了黑洞與B型星的質量比，然后估算了可見星的質量，最終證實該雙星系統(tǒng)中存在一個質量約為70倍太陽質量的黑洞LB-1，后續(xù)研究表明該黑洞質量更可能在20～50倍太陽質量之間。

LB-1的發(fā)現(xiàn)充分證實了LAMOST強大的光譜獲取能力。LAMOST對LB-1進行了26次觀測，歷時兩年，累計曝光時間約40小時。LAMOST監(jiān)測的天區(qū)共包含約3000個恒星，因此LB-1的發(fā)現(xiàn)率約1/3000。這說明如果利用一架普通4米口徑望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞，每天觀測8小時，一年365天進行連續(xù)觀測，同樣的概率下，則需要40年的時間，這充分體現(xiàn)出LAMOST超高的觀測效率。

以此為契機，中國科學院國家天文臺聯(lián)合廈門大學、南京大學、武漢大學、上海天文臺等研究團組，成立了“黑洞小分隊”，通過“超團組”的合作方式，優(yōu)勢互補，資源共享，開展了“黑洞獵手計劃”：以LAMOST等獲得的大規(guī)模光譜巡天數(shù)據(jù)為基礎，通過視向速度方法發(fā)現(xiàn)一大批“深藏不露”的寧靜黑洞。

未來有哪些進展值得期待

利用視向速度監(jiān)測的方法，國內(nèi)外的研究團組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多例黑洞及候選體。

2019年，由美國天體物理研究協(xié)會主導運行的斯隆數(shù)字巡天項目中的近紅外高分辨率光譜巡天項目（APOGEE），覆蓋了銀河系約10萬顆紅巨星。基于其視向速度觀測和ASAS-SN的光變數(shù)據(jù)，科學家發(fā)現(xiàn)2MASS J05215658+4359220是一個雙星系統(tǒng)，除了一顆明亮、快速旋轉的巨星外，還有一個3.3倍太陽質量（2.6至6.1倍太陽質量）的不可見天體。它有可能是一個大質量的中子星，也可能是目前最小的恒星級黑洞。

廈門大學天文學系利用LAMOST釋放的恒星光譜數(shù)據(jù), 對銀河系中恒星級黑洞的搜尋與證認開展了一系列工作，包括：提出了利用LAMOST光譜尋找恒星級黑洞候選體的一種新方法；結合LAMOST光譜和全天超新星自動巡天系統(tǒng)（ASAS-SN）望遠鏡的測光觀測來尋找恒星級黑洞候選體；估算了利用LAMOST光譜能搜尋到的恒星級黑洞的數(shù)目。2022年，該團隊基于LAMOST數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一類無吸積信號、無脈沖信號的寧靜態(tài)新中子星星族。

到目前為止，視向速度方法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了十余例黑洞候選體，包括MWC656、LB-1、HR6819等。但許多候選體仍有較大爭議，比如部分源可能是由快速轉動的主序星與轉速較慢的殼層被剝離的巨星組成，而并非黑洞雙星。總之，致密雙星的證實依賴多波段（X射線、紫外、射電等）信息，需要綜合多手段（譜能量分布擬合、光變曲線擬合、高分辨率光譜分解、元素豐度測量等）進行分析。

除視向速度方法以外，其他方法在不久的將來都會在致密天體搜尋方面大有作為：激光干涉引力波天文臺（LIGO）、引力波探測器(Virgo)和日本大型低溫引力波望遠鏡（KAGRA）的第四輪觀測將在2023年5月開始，預計一大批雙致密星系統(tǒng)將會被發(fā)現(xiàn)。

德國和俄羅斯發(fā)射的eROSITA衛(wèi)星已經(jīng)進行了全天X射線觀測，未來幾年數(shù)據(jù)將逐步釋放；2023年我國將發(fā)射愛因斯坦探針（EP衛(wèi)星），預計一批包含恒星級黑洞的X射線源將會被發(fā)現(xiàn)。

中國空間站工程巡天望遠鏡（CSST）將在未來幾年發(fā)射升空。其中一項科學目標是對銀河系核球進行微引力透鏡巡天，可能發(fā)現(xiàn)一批致密天體。

歐洲蓋亞探測器也將在未來幾年全面釋放天體測量數(shù)據(jù)，大批長/短周期黑洞候選體可能會被發(fā)現(xiàn)。

未來，利用上述的各種方法以及不斷開發(fā)的新方法，天文學家有望批量發(fā)現(xiàn)銀河系的恒星級黑洞，并對它們進行充分測量，構建具有統(tǒng)計顯著性的黑洞質量分布，解答大質量恒星演化、黑洞形成的一系列基本問題。

（作者：王松，系中國科學院國家天文臺副研究員）

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