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科学家在“眼跟前”发现离地球最近的黑洞

天文航天|2020-5-7 22:11

来源:国家地理|290人参与|0评论

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科学家在“眼跟前”发现离地球最近的黑洞

  这张艺术幻想图描绘了HR 6819恒星系统里天体的运行轨道。组成该系统的有一颗内侧恒星(轨道呈蓝色)、一个最近发现的黑洞(轨道呈红色),以及一个轨道较长的外侧恒星(轨道也呈蓝色)。

  图源:ESO/L. CALÇADA

  撰文:MICHAEL GRESHKO

  在南半球的冬季,头顶的望远镜座里闪烁着一颗蓝色的光点。夜空中的这一个小点,看上去像是一颗明亮的恒星,但其实是两颗轨道相近的恒星。与之相伴的,是已知距离地球最近的黑洞。

  新发现的这颗黑洞位于恒星系HR 6819,距离我们太阳系约1011光年。《天文天体物理学》期刊昨日发表的论文称,这个不可见的天体,与两颗可见的恒星锁定在同一轨道。据估计,该黑洞的质量约为太阳的4倍,比下一个黑洞近约2500光年。

  “似乎它就躲在眼跟前。”美国加州大学伯克利分校的博士生Kareem El-Badry说道。他专注于双恒星系统研究,但并未参与该研究。他说:“这是个足够明亮的恒星系统,人们从上世纪80年代就开始研究它了,但似乎它藏了一些惊喜。”

科学家在“眼跟前”发现离地球最近的黑洞

  在这张Digitized Sky Survey 2项目的广角夜空图像中央,可以看到恒星系HR 6819。这两颗恒星相距甚近,似乎合而为一。这个“三体”系统里隐藏着迄今发现的距离地球最近的黑洞。

  图源:ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

  以人类的尺度来看,1000光年是一段漫长的距离。如果把地球与太阳的距离缩短到头发丝的宽度,那么,恒星系HR 6819就在大约6400米外。不过,在直径100000光年的银河系视角下,恒星系HR 6819就相当近,而且,它的存在也表明银河系里散布着诸多黑洞。

  该研究论文的第一作者、欧洲南方天文台的天文学家Thomas Rivinius说:“如果你发现了一个非常近的黑洞,你又假设自己并不特别,就表明它们一定到处都有。”

  与恒星一同打旋的黑洞

  长期以来,研究者都估计银河系里存在着几亿个黑洞。但是,找到这些黑暗的物体却极端困难。科学家发现银河系里有几十颗黑洞在“吞食”附近的气团。当物质绕着黑洞边缘打旋时,会释放出X射线。但是,银河系里的大多数黑洞是看不见的,因此,发现它们的唯一办法就是观测其周围天体的引力效应。

  研究恒星系HR 6819的天文学家们起初根本就不是为了寻找黑洞。相反,他们想深入了解绕彼此运转的这一对奇特恒星。

  外侧的这颗恒星,名为Be恒星,质量比我们的太阳大几倍,温度更高,颜色更蓝。这颗恒星赤道附近的自转速度超过每秒48万米,比我们太阳赤道的速度快200多倍。Rivinius说:“它们自转的速度非常快,以至于物质差点儿就飞了出去。”

  说回2004年,科学家利用智利拉西拉天文台2.2米口径的MPG/ESO望远镜,对恒星系HR 6819进行了一场为期4个月的观测活动,发现一些迹象表明该恒星系并非一个标准的双星系统。“正常的”内侧恒星似乎在以40.3天的周期绕着另一个天体公转,而较大的Be恒星则公转得更远,同时绕着内侧的恒星与那个神秘的第三者公转。

  四年后,欧洲南方天文台的Stan Štefl率队重新审视这次研究结果,这其中就暗含着黑洞潜伏在恒星系HR 6819的线索。然而,Stan Štefl在2014年不幸因车祸遇难,这项工作陷入停滞。

  2019年11月,曾与Stan Štefl长期共事,并且专于研究Be恒星的专家Rivinius找到了重新观测HR 6819的新理由。另一个团队发表的一项研究称在恒星系LB-1里发现了一个质量70倍于太阳的黑洞,这一发现令人大跌眼镜。基于物理学家对恒星质量级别黑洞形成原理的认知,黑洞是由巨大恒星超新星爆发后形成的,而质量70倍于太阳的黑洞不可能形成。当足以产生那么大质量黑洞的恒星死亡时,它爆炸形成的碎屑不会跌落回自身。

  然而,Rivinius团队留意到,恒星系LB-1的数据与恒星系HR 6819的数据极为相似。他们着手描述恒星系HR 6819中神秘第三个天体的特征。基于对内侧恒星公转轨道及亮度的计算,他们发现,这个不可见的天体的质量起码是太阳的4.2倍,与银河系内其他已知黑洞差不多。

  看不见的目标

  该研究论文的合著者、欧洲南方天文台的退休科学家Dietrich Baade认为,如果这个天体的质量是太阳的4倍多,它就不可能是一个普通的恒星,因为那么大的恒星“很容易探测到”。此外,它质量太大,也不可能是一颗中子星。(中子星是某些超新星爆发后留下的恒星内核。)

  只有一种天体能解释这一计算结果,那就是:黑洞。

  但是,据El-Badry所说,所有对HR 6819这类包含多个相距不远的天体的恒星系的研究,都要应付一些潜在的误差来源。HR 6819外侧的Be恒星及内侧的恒星相距太近了,任何一个光学望远镜都无法将二者分辨开来。只有通过它们发射出的光谱,才能分辨出这两颗恒星。

  在某些情况下,“剥离”外层氢元素的较老的恒星,与更年轻、质量更大的恒星外表很相似。如果HR 6819内侧的那颗恒星外表如此,那么,研究人员就得重新计算这个假设黑洞的质量。

  在后续研究中,论文合著者Petr Hadrava带领着研究者努力“解开”HR 6819释放出的光线,并理清这两颗恒星的准确光谱,并以此来确定它们的特性。El-Badry补充说,欧洲航天局的Gaia太空望远镜正在以前所未有的精度观测银河系,它可以提供关于HR 6819公转轨道的更多细节。由于这一恒星系非常近,天文学家可以利用“干扰量度法”来精确地找到这两颗恒星。(干扰量度法,是将多个望远镜组网观测的技术,与望远镜网络使超大质量黑洞轮廓成像的原理类似。)

  该论文的合著者、欧洲南方天文台的博士后研究员Marianne Heida说:“通常,当有一颗恒星绕着一个黑洞时,我们其实看不到恒星绕黑洞运转。这个离得这么近,我们应该能够看到其运动,这就意味着,如果一切顺利,应该更有把握计算出黑洞的质量。”

  研究人员一边筹划着下一步计划,一边也在赞颂着Stan Štefl,这是驱使他们发现这个黑洞的最初力量。Rivinius微笑着说:“Stan非常谨慎,他可能现在就在看着我,问我:你真的确定吗?”

  (译者:mikegao)

  

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