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獨家丨到底是不是黑洞?“最大恆星級黑洞”引學術爭議

[科技日報記者 劉園園]

前段時間,中國科學家發現“最大恆星級黑洞”的新聞,最近引起了一些學術爭議。 1月18日,“最大恆星級黑洞”論文第一作者劉繼峰研究員接受科技日報記者採訪時進行了回應。

先來回顧一下這個大新聞。

2019年11月28日,《自然》期刊發布中國科學院國家天文台劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項“重大發現”。該研究團隊依託郭守敬望遠鏡(LAMOST),發現一顆大約70倍太陽質量的黑洞。如果真的如此,它將是迄今為止質量最大的恆星級黑洞。

但是,研究結果發表後,陸續有國外天文學者發布論文,對“70倍太陽質量黑洞”提出質疑。

有的論文指出,這顆黑洞並沒有70倍太陽質量這麼大;有的論文指出,它有可能不是一個黑洞,而可能是一顆大質量中子星甚至普通恆星。

這,到底怎麼回事?




圖為 LB-1的藝術想象圖 (喻京川 繪)。圖片來源:中國科學院國家天文台官網


“遠超理論預言質量上限”的黑洞

這個引發爭議的“最大恆星級黑洞”,存在於一個叫做LB-1的雙星系統里。

中國科學家認為,在這個雙星系統里,有一顆8倍太陽質量的藍色恆星,圍繞一個“看不見的天體”做周期性運動。不同尋常的光譜特徵表明,那個“看不見的天體” 極有可能是一顆黑洞。

研究人員隨後通過西班牙加納利大望遠鏡和美國凱克望遠鏡,進一步確認了LB-1的光譜性質,計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。


70倍。這個數字意味着什麼呢?




圖為LB-1和引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分布。圖片來源:中國科學院國家天文台官網


說到這裡,有必要科普一下:恆星級黑洞由大質量恆星死亡形成,在宇宙中廣泛存在。理論預言銀河系中有上億顆恆星級黑洞,但迄今為止,天文學家僅在銀河系發現了約20顆恆星級黑洞,而且質量均小於太陽質量的20倍。

70倍太陽質量黑洞,依據此前的新聞發布, “遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知,有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新”。

質疑一:最低只有2到3倍太陽質量

正因為它嚴重挑戰現有恆星演化理論,這項結果一經發表,便立即引發國際天文學界的關注。隨後,陸續有多篇相關論文提出質疑觀點。

其中包括德國埃爾朗根-紐倫堡大學和波茨坦大學的天文學家團隊。

1月10日,該團隊在國際知名的《天文學與天體物理學》期刊發表論文稱, 這個“70倍太陽質量黑洞”可能根本不是黑洞,而有可能是大質量中子星,甚至普通恆星。




圖為德國天文學家團隊在《天文學與天體物理學》期刊發表的論文信息。圖片來源:《天文學與天體物理學》期刊官網截圖


這個德國天文學家團隊指出,那個看不見的星體的伴星,即B型星LS V + 22 25,是可以被看到的。這顆伴星的質量越大,黑洞的質量也就需要越大,這樣才能帶來伴星相應的運動。

他們對這顆伴星的光譜檔案以及它表面的化學元素丰度進行了研究。然後發現,這顆恆星表面存在由氫核聚變產生的灰燼,而這種過程只在年輕恆星的內核發生,不應在恆星表面被探測到。

該團隊認為,這顆伴星一定在過去與那個看不見的星體發生了一些作用。在此過程中,這顆伴星的外層被移除。因此現在看到的是被剝離外層的氦核,它富含氫燃燒產生的灰燼。

然而,被剝離的氦星比普通的恆星更輕。該團隊將這一結果和蓋亞太空望遠鏡最近的測量相結合,認為這顆恆星的質量最有可能是太陽質量的1.1倍(存在±0.5倍的不確定度)。

據此,該團隊得出,另一個星體最低只有2到3倍太陽質量——這與中國科學家團隊得出的數字相差甚遠。

質疑二:只是一顆“正常”的恆星級黑洞

另一位質疑者,是來自美國加州大學伯克利分校的研究生,名叫賈里姆·埃爾·巴德里。




圖為賈里姆·埃爾·巴德里(左)與加州大學伯克利分校天文學系主任艾略特·誇塔特(右)討論黑洞的演化。圖片來源:加州大學伯克利分校官網,Hulda Nelson


據加州大學伯克利分校官網介紹,巴德里專門研究不同尋常的雙星系統。當看到70倍太陽質量黑洞相關論文時,他十分震驚。

“我們知道有20到30顆黑洞存在於雙星系統中,它們只有70倍太陽質量的一半,或者小於70倍太陽質量。” 巴德里表示。

12月9日,巴德里的論文提交在arXiv預印本文獻庫中,並於1月3日進行了修改。論文由巴德里和加州大學伯克利分校天文學系主任艾略特·誇塔特共同署名。




圖為賈里姆·埃爾·巴德里提交在arXiv預印本文獻庫中的論文信息。圖片來源:arXiv預印本文獻庫官網截圖


該論文提出,中國研究團隊發現的這個史無前例的恆星級黑洞的質量,主要證據是測量Hα發射線的徑向速度變化,這種Hα發射線被認為來自黑洞周圍的吸積盤。

巴德里認為,那顆B型星的大氣也在吸收Hα發射線,這使得Hα發射線看起來像是發生了位移,但實際上並沒有。

因此,並沒有證據表明Hα發射線的徑向速度變化。Hα發射線很可能源於雙星系統周圍物質,而不是黑洞周圍的吸積盤。

“目前這顆看不見的伴星的特徵依然是不確定的,但是它最有可能是一顆5到20倍太陽質量的‘正常’恆星級黑洞。”巴德里在論文里提出。


複核結果基本支持最初結論

相關質疑不止上述兩個。面對來自國際天文學界的質疑,1月18日,“最大恆星級黑洞”論文第一作者劉繼峰研究員接受科技日報記者採訪時進行了回應。

“我們現在已經有初步結果,證實我們的研究結果。”劉繼峰接受科技日報記者採訪時說。顯然,他已經注意到了這些科學爭議。

對於德國研究團隊所說的,“70倍太陽質量黑洞”可能不是黑洞,而是一個中子星,甚至普通恆星,劉繼峰表示:“這是第一步就可以被排除的模型。”


劉繼峰解釋說,這種模型是雙星演化中非常短暫的特殊階段,因此存在的可能性非常低。此外,這種模型也依賴於該天體離我們的距離,而根據蓋亞太空望遠鏡的最新測量,不支持該模型要求的那麼近的距離。

對於加州大學伯克利分校研究人員的質疑,劉繼峰認為,Hα發射線成分複雜,僅減去B型星吸收而忽略星風發射是不行的,需要用其它方法來獨立驗證。


“我們使用兩個多月來觀測到的更加豐富的數據,進行了更加細緻的分析和複核。分析結果支持原來的結論。”劉繼峰告訴科技日報記者,目前分析認為,那顆黑洞的大小應該是70個太陽質量左右,不會低於40倍太陽質量,依然支持原來“最大恆星級黑洞”的結論。

劉繼峰透露,目前中國科研團隊正在醞釀新的論文,預計不久後將發表。

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來源:科技日報

編輯:陳可軒

審核:王小龍、管晶晶


台長: 聖天使

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