探寻黑洞的踪迹与奥秘

黑洞可以算是宇宙中最具有神秘色彩的天体了。它本身不发光、密度又非常之大，这种神秘天体具有超强吸引力，任何物质，包括速度最快的光也无法从它身边逃离。也因为这一特点，黑洞根本无法被人类直接观测到，它在1916年首次被德国天文学家卡尔·史瓦西通过一系列复杂计算确认。虽然天文学界早已确认了黑洞在宇宙中的广泛存在，但这个寰宇中的隐士，却长期只存在于天文学家的运算纸稿之间，一直不愿显露其庐山真面目。

近年来，随着天体物理学的不断突破与人类观测手段的迭代更新，笼罩在黑洞身上的神秘面纱正一点点被天文学家剥离开，2019年4月10日，事件视界望远镜(EHT)甚至直接公布了人类首张黑洞照片，让人类第一次看到了黑洞的真面目。但人类对黑洞的了解依然极为有限，很多关于黑洞的关键性问题依然悬而未决。

2021年，由中科院国家天文台研究员刘继峰带领的研究团队，在“黑洞搜寻与吸积物理研究”这一项目中斩获了丰硕成果，在对黑洞的发现测量、吸积辐射与喷流这三个基本问题上取得了重大突破，从而形成了对黑洞的系统性认知，极大拓展了人类对黑洞的研究边界。这一系列成果荣获2021年度北京市科学技术奖自然科学奖一等奖。

宇宙中并不孤独的“隐士”

在刘继峰看来，黑洞这样的神秘天体其实是蕴含着海量科学财富的宝库，“黑洞为天文学家提供了揭示世界本质的一条捷径。要发展物理学理论，就需要将理论向极端环境中去延伸、去经受检验——黑洞恰好为我们提供了这样一个极端的环境!”刘继峰解释道。

黑洞(艺术想象图)

黑洞在宇宙中是普遍存在的。根据质量的不同，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。天文学家长期的观测表明，宇宙中大部分星系中心都存在一个质量在太阳几十万到几十亿倍的超大质量黑洞，而每个星系中都存在几千万个恒星级质量的黑洞。

如此超大质量的黑洞，对于周遭物质的引力作用是惊人的，这就引出了一个核心概念——黑洞吸积。所谓黑洞吸积，就是指黑洞周围的气体在黑洞引力的作用下向黑洞下落的物理过程。“我们要研究黑洞是如何‘吞噬’外界的物质，并在‘吞噬’时表现出什么现象。这种‘吞噬’其实就是一种非常深的引力势阱。”刘继峰介绍道，“这一过程中，引力势能转换成动能，被吸入的气体经过摩擦转换成热能，会释放出很强的辐射——这是一个非常复杂的过程。我们要做的就是将这一过程中的细微之处搞清楚。”

别看“黑洞吸积”这个概念晦涩难懂，实际上，天体物理学发展到现在，很多重要分支都是以黑洞吸积作为理论基础的，包括活动星系核、伽马射线暴、黑洞X射线双星、黑洞对恒星的潮汐撕裂事件等。因此研究黑洞吸积是理解这些研究对象的关键。“另一方面，黑洞周围存在极端的物理条件，强引力、强磁场、高温度、高密度等对于我们深入了解天体间基本的物理规律意义重大。”刘继峰强调道。同时，星系中心的超大质量黑洞吸积导致的物质和能力与主星系中气体的相互作用，还能为我们揭示更多的星系形成演化的关键物理过程。

目前黑洞吸积理论体系已经比较成熟和丰富，主要研究内容包括吸积的动力学、辐射、喷流的产生、加速、准直、风的产生以及物理性质等内容。研究黑洞吸积涉及的物理工具包括流体、磁流体动力学、辐射物理、等离子体物理、广义和狭义相对论等。按照黑洞吸积流的温度划分，黑洞吸积又可分为冷吸积模型和热吸积模型两大类。

当然，要对黑洞吸积现象进行深入剖析，首先要确确实实地找到一个黑洞，但有趣的是，寻找黑洞却也要反过来借助吸积现象的基本原理。黑洞最大的特点之一就是密度出奇的大。“把10倍于太阳质量的恒星，压缩到直径为北京六环大小的球体中，得到的密度就相当于黑洞。”刘继峰这样比喻道，“因为其超强的引力，导致包括光在内的物质都无法逃离。”也因此造成黑洞本身不发光的特征。目前人类总共发现了约20个黑洞，但根据理论推测，单单是银河系中就应该存在上亿颗恒星级黑洞，在浩渺的天际，寻找这样一个不会发光的黑暗隐士，无异于大海捞针!

最传统的办法，是利用吸积效应去捕捉黑洞的蛛丝马迹。黑洞虽然本身不发光，但如果某个黑洞恰好与一颗正常恒星组成一个双星系统，那它就会露出它的恐怖面孔，用强大的引力将这颗倒霉伴星的气态物质源源不断地吸过来——这其实就是一种黑洞吸积现象。“这样就会形成吸积盘，并发出明亮的X射线。”刘继峰解释道，“这些X射线为天文学家提供了黑洞的珍贵线索。”

黑洞质量几何?

除了寻觅黑洞的踪迹，对黑洞进行质量测算，将黑洞置于人类的“天平”上称一称有多重，对于进一步认识黑洞的本质是具有重大意义的。然而，如何确定这个黑洞的质量，在相当长的时间里一直是个世界性的难题。

根据上文提到的黑洞吸积理论，遥远星系中闪耀的X射线极亮天体中往往存在一个黑洞。自20世纪90年代以来，天文学家在距离地球几千万光年的遥远星系中发现了一批X射线光度极高的天体。对于这些天体中黑洞的大小，科学界有两种假说：一种假说认为，这种黑洞的质量比太阳大100~1000倍，是中等质量黑洞；“另一种假说认为，这种黑洞是拥有更高辐射效率的恒星质量黑洞。”刘继峰介绍道。但20多年来，因为技术难度太大，始终没有人能给出答案。因为这种天体中心黑洞质量的精确测量具有极为重要的科学意义和深远的影响，所以它成为学界研究的焦点，被誉为X射线极亮源研究领域的“圣杯”。

对黑洞质量测算这一难题的攻关，就需要借助国际天文学界的力量共同努力了。刘继峰领衔了一个国际团队，开始了对黑洞质量的测算。刘继峰与他的国际同事们选择了位于大熊座的M101星系作为研究对象，这个星系拥有一颗X射线极亮天体(即M101ULX-1),天体中心是一个黑洞。“我们原先猜测，这个黑洞很可能是中等质量黑洞。”刘继峰说。

那么具体该如何测算呢?刘继峰的科研团队利用世界级的大口径望远镜，对这个X射线极亮源进行了光谱监测研究，他们发现，这个双星系统位于2200万光年之外(也是迄今为止发现的距离地球最遥远的黑洞双星),经过复杂的动力学质量测算，测量结果显示：它只是恒星质量黑洞，质量至少是太阳的5倍——这是人类首次(也是迄今为止唯一一次)对X射线极亮源中黑洞进行动力学质量测量。同时，这次观测还意外发现，这个黑洞双星系统的X射线辐射特征与现今任何现有的吸积盘模型相悖，与人们现有的关于黑洞吸积认知是相抵触的。刘继峰及其团队的这一研究成果，表明黑洞的经典理论模型存在不小的漏洞，急需在理论层面予以补充和修正。这一震动整个天文学界的研究成果被《自然》杂志列为新闻头条，国际天文学界甚至称这一研究成果“夺取了黑洞质量测算这一领域的圣杯”!

此后不久，刘继峰的团队再接再厉，首次在黑洞超软谱态下发现相对论性重子物质喷流。所谓喷流，就是黑洞在吸积过程中有时会向垂直吸积盘的两个方向喷射物质的天文现象。而喷流速度可与光速比拟的相对论喷流，其形成机制是天文学界多年来未攻克的难题。在银河系中，人们发现了具有相对论喷流的天体，被称为微类星体，它们绝大部分都有强X射线辐射，其辐射内含有大量光子能量超高的硬X射线光子。“与微类星体不同，极亮超软X射线源中的黑体温度相对较低，在现有的黑洞吸积模型中无法产生相对论喷流，其物理本质也是学界长期以来的难题。”刘继峰介绍道。

刘继峰团队利用西班牙加那利大型望远镜和美国凯克望远镜，对千万光年外的漩涡星系M81中的极亮超软X射线进行了光谱检测研究，首次发现其光谱中具有高度蓝移的氢元素发射线，从而揭示系统中存在速度达到光速1/5的相对论喷流。这就打破了天文学家以往在射线超软状态下没有相对论喷流的传统认知，为人们理解黑洞吸积与喷流形成打开了全新的窗口。这一成果同样入选《自然》杂志。

来自中国科学家的探索方案

传统的黑洞探测方法局限是非常明显的：一旦黑洞与伴星相距较远时，黑洞就又会收敛起所有的锋芒，退回到原来的“隐士”状态。这种状态被称为“无或弱吸积辐射”,在这种情况下该如何搜索呢?

刘继峰团队已经给出了自己的答案。2019年，依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST),刘继峰的研究团队利用视向速度法，发现了一颗大质量的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。而刘继峰团队是如何做到这一点的呢?

早在2016年，他们就提出利用我国的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜(LAMOST)观测双星光谱、开展双星系统的研究计划，并选择3000多个天体准备进行长达两年的光谱监测。在对这些天体进行集中观测时，刘继峰及其同事发现了一颗极不寻常的恒星。这是一颗光谱型为B的恒星，它总是围绕一个天体做周期性运动，其不一样的光谱特征表明，它极有可能存在一个黑洞。

黑洞的引力透镜效应(艺术想象图)

为了搞清楚这颗特殊恒星背后的真相，他们通过西班牙10.4米口径加纳利大型望远镜的21次观测，以及美国10米口径凯克望远镜的7次高分辨率观测，确认了这个双星系统的光谱性质：B型星质量约为太阳的8倍，距离地球1.4万光年，而在那个方向上存在的神秘天体，质量约为太阳的70倍。光学谱线比红外谱线更易受恒星影响，因此利用LAMOST光学数据得到的结果误差可能相对较大。为进一步确认这个双星系统的性质，刘继峰带领国际团队利用西班牙卡拉阿托天文台的3.5米望远镜进行了3个月高频次的高分辨率红外光谱监测，最终确认该不可见天体为20~40倍太阳质量的大质量恒星级黑洞。这个黑洞超过了高金属丰度恒星形成黑洞的理论上限，对现有恒星演化和黑洞形成理论提出了挑战，激发了关于大质量恒星形成黑洞这一物理过程的广泛讨论。“这一发现意味着有关恒星演化形成黑洞的理论可能将被‘改写’,或者还有某种黑洞形成机制被人们忽视了。”刘继峰如此评价道。而为了纪念LAMOST在发现这个巨大恒星级黑洞上作出的贡献，天文学家给这个包含黑洞的双星系统命名为LB-1。2019年11月国际顶尖科学期刊《自然》在线发布了我国天文学家主导的这项重大发现!

由于LAMOST能够非常高效地同时获得数千恒星光谱，从而获得其视线方向的运动性质，所以非常适合搜寻处于宁静态的黑洞等致密天体。当谈起对以后观测的预期时，刘继峰这样说道：“在目前正进行的观测计划中，通过在更大天区内观测此类黑洞，有望能够更好地预言黑洞在银河系中的数目。”

来源: 北京科技报社

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