作者：王松（中國科學(xué)院國家天文臺副研究員）

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(zhì)量的黑洞是黑洞天體物理研究的關(guān)鍵。目前，科學(xué)家開展了“黑洞獵手計劃”，以郭守敬望遠(yuǎn)鏡等獲得的大規(guī)模光譜巡天數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搜尋一大批“深藏不露”的寧靜黑洞。

黑洞搜尋方法一覽?中科院國家天文臺供圖

(資料圖)

小質(zhì)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(zhì)，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(dāng)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(xué)家按照質(zhì)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(zhì)的超大質(zhì)量黑洞（百萬倍太陽質(zhì)量以上），大質(zhì)量恒星死亡坍縮產(chǎn)生的恒星級黑洞（100倍太陽質(zhì)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(zhì)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(xì)的觀測，從而對它們的結(jié)構(gòu)、形成和輻射性質(zhì)有了比較深刻的理解。但仍有一些關(guān)鍵性的基本問題尚待解答，比較有代表性的是黑洞的質(zhì)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(zhì)量函數(shù)，人們預(yù)測銀河系中應(yīng)該有數(shù)千萬顆恒星級黑洞，黑洞的質(zhì)量連續(xù)分布于3倍太陽質(zhì)量到20倍太陽質(zhì)量之間，并且質(zhì)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(rèn)了約20顆恒星級黑洞，這些黑洞的質(zhì)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(zhì)量的黑洞，也就是小質(zhì)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(xué)質(zhì)量分布成為解決上述問題的關(guān)鍵，也是最為可行的技術(shù)手段。

怎么搜尋恒星級黑洞

到目前為止，天文學(xué)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(yù)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(zhì)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(zhì)量的黑洞，并合為62倍太陽質(zhì)量的黑洞，其中約3倍太陽質(zhì)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(zhì)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(zhì)量并確認(rèn)其存在。20世紀(jì)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(dāng)黑洞和它的伴星距離較遠(yuǎn)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(zhuǎn)，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(dāng)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(jì)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(rèn)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(zhì)心轉(zhuǎn)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(jié)合發(fā)現(xiàn)的黑洞得到了證認(rèn)，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(yuǎn)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(yuǎn)且軌道周期很長的雙星系統(tǒng)方面具有獨特優(yōu)勢。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡?中科院國家天文臺供圖

如何找出更多“深藏不露”的黑洞

天文學(xué)是一門觀測驅(qū)動的學(xué)科，其發(fā)展與望遠(yuǎn)鏡的性能息息相關(guān)，而一項新技術(shù)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(xué)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(jì)60年代，天文學(xué)家已經(jīng)調(diào)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(shè)備靈敏度、數(shù)據(jù)質(zhì)量等問題，最后無功而返。直到我國的“大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡”，即郭守敬望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(xué)院國家天文臺對國內(nèi)天文學(xué)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(yuǎn)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(xué)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(zhì)量比，然后估算了可見星的質(zhì)量，最終證實該雙星系統(tǒng)中存在一個質(zhì)量約為70倍太陽質(zhì)量的黑洞LB-1，后續(xù)研究表明該黑洞質(zhì)量更可能在20～50倍太陽質(zhì)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(yuǎn)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(xué)院國家天文臺聯(lián)合廈門大學(xué)、南京大學(xué)、武漢大學(xué)、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(chǔ)，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(dǎo)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(xué)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(zhuǎn)的巨星外，還有一個3.3倍太陽質(zhì)量（2.6至6.1倍太陽質(zhì)量）的不可見天體。它有可能是一個大質(zhì)量的中子星，也可能是目前最小的恒星級黑洞。

廈門大學(xué)天文學(xué)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(rèn)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(jié)合LAMOST光譜和全天超新星自動巡天系統(tǒng)（ASAS-SN）望遠(yuǎn)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(zhuǎn)動的主序星與轉(zhuǎn)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(yuǎn)鏡（KAGRA）的第四輪觀測將在2023年5月開始，預(yù)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(yù)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(yuǎn)鏡（CSST）將在未來幾年發(fā)射升空。其中一項科學(xué)目標(biāo)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(xué)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(gòu)建具有統(tǒng)計顯著性的黑洞質(zhì)量分布，解答大質(zhì)量恒星演化、黑洞形成的一系列基本問題。

《光明日報》（ 2023年05月18日?16版）