2019年11月28日，國際頂尖科學期刊《自然》線上發佈了我國天文學家主導的一項重大發現。 中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究員領導的研究團隊發現了一顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，這顆70倍太陽質量的超大恒星級黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，勢必推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

一、宇宙吸光器

霍金在其最後的著作《十問》中寫道，“事實有時候比小說更奇妙，黑洞最能真實地體現這一點，它比科幻作家想像的任何東西都更奇妙”。 1915年愛因斯坦提出廣義相對論，德國物理學家卡爾·史瓦西推匯出了愛因斯坦場方程式的一個精確解，預示了黑洞的存在。 自此人類就沒有停止過對這種神秘天體的想像和探索。

1965年，天鹅座X-1因其强X射線輻射成為第一顆被發現的黑洞侯選體； 2015年，首次探測到的引力波為黑洞的存在提供了更為具體的證據； 2019年，天文學家歷時10年利用四大洲八個觀測點捕獲了黑洞的視覺證據——首張黑洞“芳容”，讓這個曾經“看不見摸不著”的詭異天體有了一絲親和力。 黑洞到底是什麼，為何讓一代代天文學家為之如此著迷？ 本身不發光，密度非常大（把10倍於太陽質量的恒星壓縮到直徑為北京六環大小的球體中，這樣的密度就相當於黑洞的密度），具有超强的吸引力，任何從其身邊經過的物質，就連速度最快的光也無法逃離，這種神奇的天體就是黑洞。 囙此可以說，黑洞是名副其實的宇宙真空“吸光器”。

天文學家根據黑洞質量的不同，將黑洞大致分為恒星級黑洞（100倍太陽質量以下）、中等質量黑洞（100倍-10萬倍太陽質量）和超大質量黑洞（10萬倍太陽質量以上）。 恒星級黑洞是由大質量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。 一顆恒星演化到最後如果剩下的質量太多（大於3倍太陽質量），多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進入死亡階段，就沒有任何力量可以封锁這顆恒星在終極引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。 球狀星團和矮星系中心或許有中等質量的黑洞，而在星系的中心存在著超大質量黑洞，比如銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。

二、如何觀測恒星級黑洞

黑洞神秘而又有趣，若龍潛深淵，隱藏爪牙，潜行於宇宙星海中。 如果黑洞與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統，黑洞就會露出猙獰的爪牙，以强大的“胃口”直接把恒星伴星上的氣體物質吸過來，形成吸積盤，發出明亮的X射線光（圖一）。 這些X射線光如同這些物質被黑洞吞噬前的“迴光返照”，就是這一“照”成為天文學家過去這些年追尋黑洞踪迹的强有力線索。 然後，天文學家會通過監測伴星的運動，量測黑洞的質量，這適用於明亮伴星的黑洞系統。 另一種方法是對於稀少的雙黑洞，科學家主要通過引力波實驗聆聽時空的漣漪，進而推知黑洞並合事件。

迄今為止，銀河系中幾乎所有的恒星級黑洞都是通過黑洞吸積伴星氣體所發出的X射線來識別的。 過去的五十年裏，人們用該種方法發現了約二十顆黑洞，質量均在3到20倍太陽質量之間。

銀河內有數以千億計的恒星，按照理論預測，銀河系中應該有上億顆大質量死亡形成的恒星級黑洞，而在黑洞雙星系統中，能够發出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，我們的“大胃王”也會表現出平靜溫和的一面，那對於這些平靜態（不吸積伴星氣體）的黑洞如何來搜尋呢？ 天文學家在發現這顆最大恒星級黑洞的過程中給出了全新的答案。

圖一黑洞吸積噴射出X射線的藝術想像圖（來自網絡）

三、捕捉“深藏不露”的黑洞

國家天文臺領導的研究團隊在浩瀚星海中發現了一個表現异常的雙星系統，這其中會不會包含一顆深藏不露的黑洞？ 700多天的追逐之路飽含了艱辛和精彩。

2016年初，LAMOST科學巡天部主任張昊彤研究員和雲南天文臺韓占文院士提出利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統的研究計畫，並選擇了開普勒一個天區（K2-0）中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監測。 在這其中有一顆“走路拉風”的B型星引起了研究人員的關注，這顆星表現出規律地週期性運動和不同尋常的光譜特徵。

這條LAMOST“眼中”的B型星光譜攜帶了非常豐富的資訊，除了可以獲取它的有效溫度、表面重力、金屬豐度等重要資訊外，光譜中一條近乎靜止且運行方向和B型星反相位的明線（Hα發射線）給這顆星增添了足够的神秘感。 研究人員懷疑這顆B型星背後一定有故事，它到底在繞著看不見的“誰”運動？ 莫非真的是黑洞！ 天文學家在追逐宇宙真相的道路上從來都不會輕易放過任何一種可能。

為了進一步驗證這顆特殊B型星背後的真相，研究人員隨即申請了西班牙10.4米加納利大望遠鏡（GTC）的21次觀測和美國10米凱克望遠鏡（Keck）的7次高解析度觀測，進一步確認了B型星的性質。

圖二LB-1系統中B型星和黑洞的運動規律和速度曲線

根據光譜資訊，研究人員計算出B型星的金屬豐度約為1.2倍太陽豐度，質量約為8倍太陽質量，年齡約為35百萬年。 根據B型星和Hα發射線的速度振幅之比，研究人員計算出該雙星系統中存在一個質量約為70倍太陽質量的不可見天體，它只能是黑洞。 B型星背後的“大BOSS”就這樣被天文學家挖了出來，這樣的結果無疑是讓人們興奮和驚喜的，然而機遇永遠都是留給有準備的人，沒有兩年前茫茫星海的“撒網”，也便沒有今天這個“主角”的出現。

為了紀念LAMOST在發現這顆巨大恒星級黑洞上做出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1（圖三）。 與其他已知的恒星級黑洞不同，LB-1從未在任何X射線觀測中被探測到，這顆黑洞和它的伴星相距較遠（1.5倍日地距離）。 研究人員用美國錢德拉X射線天文臺對該源進行觀測，發現這顆新發現的黑洞對其伴星吸積非常微弱，是一個“平靜溫和”的恒星級黑洞“冠軍”。

圖三LB-1的藝術想像圖（喻京川繪）

LB-1是一個X射線輻射寧靜的雙星系統，利用常規X射線方法搜尋這類黑洞是行不通的。 長期以來，人們認為徑向速度監測可以發現平靜態的黑洞雙星，這顆迄今最大質量黑洞的發現證實了這一點。

四、黑洞“冠軍”的前世今生

從2015年起，美國雷射干涉引力波天文臺（LIGO）及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的銀河系裏的恒星級黑洞。

此次研究人員發現的這顆70倍太陽質量的超級黑洞不僅揭示了銀河系內也存在此類大質量恒星級黑洞，同時重繪了人類對於恒星級黑洞質量上限的認知（圖四）。

該論文第一作者劉繼峰研究員介紹說，一般模型認為大質量恒星級黑洞主要形成於低金屬豐度（低於1/5太陽金屬豐度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬豐度相近的B型星。 現時恒星演化理論預言在太陽金屬豐度下只能形成最大為25倍太陽質量的黑洞，囙此，LB-1中黑洞的質量已經突破了現有恒星演化理論的“禁區”。 這可能意味著有關恒星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。 LIGO台長大衛。 雷茨評論說，“在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恒星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年裏LIGO及Virgo探測到的雙黑洞並合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興”。

圖四LB-1和引力波並合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分佈

另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恒星坍縮形成的。 研究人員猜想，LB-1最初是一個三體系統，觀測到的B型星位於最外軌道，是質量最小的組成部分，而現在的黑洞是由最初內部的雙星形成的雙黑洞並合而成。 在這種情形下，該系統將是黑洞並合事件的絕佳候選體，並為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。

五、“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就

這顆“黑洞之王”的發現充分證實了LAMOST望遠鏡强大的光譜獲取能力。 LAMOST擁有4000顆眼睛（4000根光纖），一次能觀測近4000個天體。 2019年3月，LAMOST公開發佈了1125萬條光譜，成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目，被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”（圖五）。

先進設備促生新發現，本次研究中，中國自主研製的LAMOST起了不可替代的作用。 從2016年11月開始，為了發現和研究光譜雙星，研究人員利用LAMOST單挑普勒一個天區的3000多顆恒星歷時兩年進行了26次觀測，累計曝光時間約40小時。 如果利用一架普通四米望遠鏡專門來尋找這樣一顆黑洞（一年觀測365天，每天觀測8小時），同樣的幾率下，則需要40年的時間！ 這充分體現出LAMOST超高的觀測效率！

圖五LAMOST望遠鏡與星空（中國國家天文臺供圖）

“工欲善其事必先利其器”，LAMOST這臺“天文利器”助力天文學家發現了今天的主角“黑洞之王”，而“黑洞之王”的現身也為“光譜之王”——LAMOST增添了更多精彩。

這顆迄今為止最大質量的恒星級黑洞，也是LAMOST發現的第一顆黑洞，它的出現將標誌著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來。 相信“光譜之王”和“黑洞之王”的彼此成就將成為天文界津津樂道的一段佳話。