探尋黑洞的蹤跡與奧秘

黑洞可以算是宇宙中最具有神秘色彩的天體了。它本身不發光、密度又非常之大，這種神秘天體具有超強吸引力，任何物質，包括速度最快的光也無法從它身邊逃離。也因為這一特點，黑洞根本無法被人類直接觀測到，它在1916年首次被德國天文學家卡爾·史瓦西通過一系列復雜計算確認。雖然天文學界早已確認了黑洞在宇宙中的廣泛存在，但這個寰宇中的隱士，卻長期只存在于天文學家的運算紙稿之間，一直不愿顯露其廬山真面目。

近年來，隨著天體物理學的不斷突破與人類觀測手段的迭代更新，籠罩在黑洞身上的神秘面紗正一點點被天文學家剝離開，2019年4月10日，事件視界望遠鏡(EHT)甚至直接公布了人類首張黑洞照片，讓人類第一次看到了黑洞的真面目。但人類對黑洞的了解依然極為有限，很多關于黑洞的關鍵性問題依然懸而未決。

2021年，由中科院國家天文臺研究員劉繼峰帶領的研究團隊，在“黑洞搜尋與吸積物理研究”這一項目中斬獲了豐碩成果，在對黑洞的發現測量、吸積輻射與噴流這三個基本問題上取得了重大突破，從而形成了對黑洞的系統性認知，極大拓展了人類對黑洞的研究邊界。這一系列成果榮獲2021年度北京市科學技術獎自然科學獎一等獎。

宇宙中并不孤獨的“隱士”

在劉繼峰看來，黑洞這樣的神秘天體其實是蘊含著海量科學財富的寶庫，“黑洞為天文學家提供了揭示世界本質的一條捷徑。要發展物理學理論，就需要將理論向極端環境中去延伸、去經受檢驗——黑洞恰好為我們提供了這樣一個極端的環境!”劉繼峰解釋道。

黑洞(藝術想象圖)

黑洞在宇宙中是普遍存在的。根據質量的不同，黑洞一般分為恒星級黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。天文學家長期的觀測表明，宇宙中大部分星系中心都存在一個質量在太陽幾十萬到幾十億倍的超大質量黑洞，而每個星系中都存在幾千萬個恒星級質量的黑洞。

如此超大質量的黑洞，對于周遭物質的引力作用是驚人的，這就引出了一個核心概念——黑洞吸積。所謂黑洞吸積，就是指黑洞周圍的氣體在黑洞引力的作用下向黑洞下落的物理過程。“我們要研究黑洞是如何‘吞噬’外界的物質，并在‘吞噬’時表現出什么現象。這種‘吞噬’其實就是一種非常深的引力勢阱。”劉繼峰介紹道，“這一過程中，引力勢能轉換成動能，被吸入的氣體經過摩擦轉換成熱能，會釋放出很強的輻射——這是一個非常復雜的過程。我們要做的就是將這一過程中的細微之處搞清楚。”

別看“黑洞吸積”這個概念晦澀難懂，實際上，天體物理學發展到現在，很多重要分支都是以黑洞吸積作為理論基礎的，包括活動星系核、伽馬射線暴、黑洞X射線雙星、黑洞對恒星的潮汐撕裂事件等。因此研究黑洞吸積是理解這些研究對象的關鍵。“另一方面，黑洞周圍存在極端的物理條件，強引力、強磁場、高溫度、高密度等對于我們深入了解天體間基本的物理規律意義重大。”劉繼峰強調道。同時，星系中心的超大質量黑洞吸積導致的物質和能力與主星系中氣體的相互作用，還能為我們揭示更多的星系形成演化的關鍵物理過程。

目前黑洞吸積理論體系已經比較成熟和豐富，主要研究內容包括吸積的動力學、輻射、噴流的產生、加速、準直、風的產生以及物理性質等內容。研究黑洞吸積涉及的物理工具包括流體、磁流體動力學、輻射物理、等離子體物理、廣義和狹義相對論等。按照黑洞吸積流的溫度劃分，黑洞吸積又可分為冷吸積模型和熱吸積模型兩大類。

當然，要對黑洞吸積現象進行深入剖析，首先要確確實實地找到一個黑洞，但有趣的是，尋找黑洞卻也要反過來借助吸積現象的基本原理。黑洞最大的特點之一就是密度出奇的大。“把10倍于太陽質量的恒星，壓縮到直徑為北京六環大小的球體中，得到的密度就相當于黑洞。”劉繼峰這樣比喻道，“因為其超強的引力，導致包括光在內的物質都無法逃離。”也因此造成黑洞本身不發光的特征。目前人類總共發現了約20個黑洞，但根據理論推測，單單是銀河系中就應該存在上億顆恒星級黑洞，在浩渺的天際，尋找這樣一個不會發光的黑暗隱士，無異于大海撈針!

最傳統的辦法，是利用吸積效應去捕捉黑洞的蛛絲馬跡。黑洞雖然本身不發光，但如果某個黑洞恰好與一顆正常恒星組成一個雙星系統，那它就會露出它的恐怖面孔，用強大的引力將這顆倒霉伴星的氣態物質源源不斷地吸過來——這其實就是一種黑洞吸積現象。“這樣就會形成吸積盤，并發出明亮的X射線。”劉繼峰解釋道，“這些X射線為天文學家提供了黑洞的珍貴線索。”

黑洞質量幾何?

除了尋覓黑洞的蹤跡，對黑洞進行質量測算，將黑洞置于人類的“天平”上稱一稱有多重，對于進一步認識黑洞的本質是具有重大意義的。然而，如何確定這個黑洞的質量，在相當長的時間里一直是個世界性的難題。

根據上文提到的黑洞吸積理論，遙遠星系中閃耀的X射線極亮天體中往往存在一個黑洞。自20世紀90年代以來，天文學家在距離地球幾千萬光年的遙遠星系中發現了一批X射線光度極高的天體。對于這些天體中黑洞的大小，科學界有兩種假說：一種假說認為，這種黑洞的質量比太陽大100~1000倍，是中等質量黑洞；“另一種假說認為，這種黑洞是擁有更高輻射效率的恒星質量黑洞。”劉繼峰介紹道。但20多年來，因為技術難度太大，始終沒有人能給出答案。因為這種天體中心黑洞質量的精確測量具有極為重要的科學意義和深遠的影響，所以它成為學界研究的焦點，被譽為X射線極亮源研究領域的“圣杯”。

對黑洞質量測算這一難題的攻關，就需要借助國際天文學界的力量共同努力了。劉繼峰領銜了一個國際團隊，開始了對黑洞質量的測算。劉繼峰與他的國際同事們選擇了位于大熊座的M101星系作為研究對象，這個星系擁有一顆X射線極亮天體(即M101ULX-1),天體中心是一個黑洞。“我們原先猜測，這個黑洞很可能是中等質量黑洞。”劉繼峰說。

那么具體該如何測算呢?劉繼峰的科研團隊利用世界級的大口徑望遠鏡，對這個X射線極亮源進行了光譜監測研究，他們發現，這個雙星系統位于2200萬光年之外(也是迄今為止發現的距離地球最遙遠的黑洞雙星),經過復雜的動力學質量測算，測量結果顯示：它只是恒星質量黑洞，質量至少是太陽的5倍——這是人類首次(也是迄今為止唯一一次)對X射線極亮源中黑洞進行動力學質量測量。同時，這次觀測還意外發現，這個黑洞雙星系統的X射線輻射特征與現今任何現有的吸積盤模型相悖，與人們現有的關于黑洞吸積認知是相抵觸的。劉繼峰及其團隊的這一研究成果，表明黑洞的經典理論模型存在不小的漏洞，急需在理論層面予以補充和修正。這一震動整個天文學界的研究成果被《自然》雜志列為新聞頭條，國際天文學界甚至稱這一研究成果“奪取了黑洞質量測算這一領域的圣杯”!

此后不久，劉繼峰的團隊再接再厲，首次在黑洞超軟譜態下發現相對論性重子物質噴流。所謂噴流，就是黑洞在吸積過程中有時會向垂直吸積盤的兩個方向噴射物質的天文現象。而噴流速度可與光速比擬的相對論噴流，其形成機制是天文學界多年來未攻克的難題。在銀河系中，人們發現了具有相對論噴流的天體，被稱為微類星體，它們絕大部分都有強X射線輻射，其輻射內含有大量光子能量超高的硬X射線光子。“與微類星體不同，極亮超軟X射線源中的黑體溫度相對較低，在現有的黑洞吸積模型中無法產生相對論噴流，其物理本質也是學界長期以來的難題。”劉繼峰介紹道。

劉繼峰團隊利用西班牙加那利大型望遠鏡和美國凱克望遠鏡，對千萬光年外的漩渦星系M81中的極亮超軟X射線進行了光譜檢測研究，首次發現其光譜中具有高度藍移的氫元素發射線，從而揭示系統中存在速度達到光速1/5的相對論噴流。這就打破了天文學家以往在射線超軟狀態下沒有相對論噴流的傳統認知，為人們理解黑洞吸積與噴流形成打開了全新的窗口。這一成果同樣入選《自然》雜志。

來自中國科學家的探索方案

傳統的黑洞探測方法局限是非常明顯的：一旦黑洞與伴星相距較遠時，黑洞就又會收斂起所有的鋒芒，退回到原來的“隱士”狀態。這種狀態被稱為“無或弱吸積輻射”,在這種情況下該如何搜索呢?

劉繼峰團隊已經給出了自己的答案。2019年，依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),劉繼峰的研究團隊利用視向速度法，發現了一顆大質量的恒星級黑洞，并提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。而劉繼峰團隊是如何做到這一點的呢?

早在2016年，他們就提出利用我國的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST)觀測雙星光譜、開展雙星系統的研究計劃，并選擇3000多個天體準備進行長達兩年的光譜監測。在對這些天體進行集中觀測時，劉繼峰及其同事發現了一顆極不尋常的恒星。這是一顆光譜型為B的恒星，它總是圍繞一個天體做周期性運動，其不一樣的光譜特征表明，它極有可能存在一個黑洞。

黑洞的引力透鏡效應(藝術想象圖)

為了搞清楚這顆特殊恒星背后的真相，他們通過西班牙10.4米口徑加納利大型望遠鏡的21次觀測，以及美國10米口徑凱克望遠鏡的7次高分辨率觀測，確認了這個雙星系統的光譜性質：B型星質量約為太陽的8倍，距離地球1.4萬光年，而在那個方向上存在的神秘天體，質量約為太陽的70倍。光學譜線比紅外譜線更易受恒星影響，因此利用LAMOST光學數據得到的結果誤差可能相對較大。為進一步確認這個雙星系統的性質，劉繼峰帶領國際團隊利用西班牙卡拉阿托天文臺的3.5米望遠鏡進行了3個月高頻次的高分辨率紅外光譜監測，最終確認該不可見天體為20~40倍太陽質量的大質量恒星級黑洞。這個黑洞超過了高金屬豐度恒星形成黑洞的理論上限，對現有恒星演化和黑洞形成理論提出了挑戰，激發了關于大質量恒星形成黑洞這一物理過程的廣泛討論。“這一發現意味著有關恒星演化形成黑洞的理論可能將被‘改寫’,或者還有某種黑洞形成機制被人們忽視了。”劉繼峰如此評價道。而為了紀念LAMOST在發現這個巨大恒星級黑洞上作出的貢獻，天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1。2019年11月國際頂尖科學期刊《自然》在線發布了我國天文學家主導的這項重大發現!

由于LAMOST能夠非常高效地同時獲得數千恒星光譜，從而獲得其視線方向的運動性質，所以非常適合搜尋處于寧靜態的黑洞等致密天體。當談起對以后觀測的預期時，劉繼峰這樣說道：“在目前正進行的觀測計劃中，通過在更大天區內觀測此類黑洞，有望能夠更好地預言黑洞在銀河系中的數目。”

來源: 北京科技報社

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