LAMOST發現最大恆星級黑洞，這是超大恆星一次爆炸形成的嗎？

2019年11月28日凌晨《Nature》發表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊關於“發現最大恆星級黑洞，超過70倍太陽質量”的科學研究成果，利用中國重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），發現了在現有理論禁區內的黑洞，並且提供了一種新的尋找黑洞的方式！

黑洞的來歷和第一個黑洞

黑洞是大家最熟悉不過的概念，自1916年大神史瓦西從愛因斯坦的廣義相對論引力場公式中推匯出史瓦西度規，也就是天體坍縮成黑洞的理論基礎，當然現實理論這種不自轉，不帶電荷的黑洞是不存在的，但這為天文界提供了一種新的天體理論。

天鵝座X-1是一個銀道面上著名的X射線源，它在1964年的一次探空火箭X射線觀測時被發現，早期天文學家並不清楚這個位置為什麼會發出強X射線，也不知道這是一個什麼樣的天體。但後來發現X-1是一個雙星系統，一顆編號為HD 226868的藍超巨星與一顆看不見緻密天體互相公轉。

根據對HD 226868恆星的光譜觀測發現（引力紅移），推算出了它的軌道週期與質量，繼而測算出這可看不見的緻密天體質量大約為太陽質量的14.8倍，根據史瓦西度規，這可看不見的緻密天體選項只能是一個黑洞，這是在銀河系內發現的第一個黑洞候選天體。

什麼是恆星級黑洞

一般認為恆星型黑洞是25-30倍太陽質量以上的恆星在末期引力坍縮形成的黑洞，尚未經歷黑洞合併等過程，僅僅透過吞噬物質來獲得質量增長的黑洞。

恆星級黑洞：3~100個太陽質量之間；中等質量黑洞：100~10萬個太陽質量；超大質量黑洞：幾十萬倍太陽質量，甚至上百萬倍太陽質量

一般在引力坍縮過程中會伴隨著超新星爆發，因此很多朋友會認為黑洞是在超新星爆炸中形成的，但其實這是一個誤解，要糾正這個觀念，我們先來了解下超新星爆發的簡單過程。

超新星爆發有很多種，我們只簡單介紹下核坍縮型超新星爆發，因為在這種條件會形成中子星或者黑洞。大質量恆星的生命最後階段，核心已經形成鐵元素，無法再提供對抗外殼重壓的輻射壓，此時核心的坍縮即刻將會開始。

核心崩潰是除了Ia型超新星以外所有超新星的爆發原因，有幾種機理會解釋核心坍縮的過程：

電子捕獲超越錢德拉塞卡極限成對不穩定是光致蛻變

當恆星核心發展到鐵核，此時外殼將相核心坍縮，速度將達到光速的20%，泡利不相容的電子簡併壓無法抵抗已經超越錢德拉塞卡極限的核心質量，核心將坍縮成中子星或者黑洞(25-30倍太陽質量將直接坍縮為黑洞)。

簡併態的核心坍縮時將會爆發光致蛻變和電子捕獲的β衰變，這是伴隨超新星爆發電中微子流的理論基礎，如果核心質量超過15個太陽以上，那麼此次超新星爆發可能不會發生，直接坍縮成黑洞！

另外一些超大質量的恆星內部過程則更復雜，因為超大質量恆星並不一定會演化到鐵核，比如40-60M☉的恆星，會經歷核數次坍縮，而60–130 M☉的恆星則可能在某次坍縮中達到重元素的瞬間聚變和成為一顆超新星，比較有意思的是恆星的質量和超新星爆發的亮度和規模並沒有直接聯絡，反而在核心能形成鎳-56的中等質量恆星會導致更明亮和持久的超新星爆發。

簡單的說恆星型黑洞就是恆星在超新星爆發過程中或者不經歷超新星爆發形成的恆星，尚未經歷黑洞合併等過程，其質量增長是透過吞噬雙星中的另一顆恆星物質完成。

關於LAMOST發現的最大恆星級黑洞

恆星級黑洞形成時質量並不高，根據以往的理論最多也就數倍最多二十五倍太陽質量以下，這個質量級別的黑洞吸積盤形成的X射線輻射非常微弱，如果不是近距離且有伴星讓其肆意吞噬物質的話，比如X-1這樣質量的黑洞，我們是很難發現的。

1964年X-1黑洞的發現給了天文界一個新的黑洞發現理論，即透過觀測伴星的光譜來發現黑洞的蛛絲馬跡，這計劃看上去很美，但需要獲取大量恆星的光譜，這對於一次觀測只能獲取數條光譜的當時來說簡直就不可能！

LAMOST是專門為獲取恆星的光譜而生，在LAMOST的焦平面上，密密麻麻的排布了4000條光纖，當聚焦完成後，這4000條光纖會透過伺服機構對準每一顆恆星，理論上每次都能獲得4000條光譜，從落成到今天為止，LAMOST已經獲取超過千萬級別的恆星光譜。

劉繼峰、張昊彤的團隊從2016年期，在兩年半的時間裡對天區中的3000顆恆星進行了26次觀測，發現了LB-1這顆B型星的吸收線的異常，可見的伴星運動揭示其可能是黑洞。

透過分析其發射光譜發現了黑洞吸積盤運動，根據恆星的光譜變化推算出兩者的運動方式，繼而計算出這個黑洞的質量大約為68+11-13M☉，這個質量遠超早先發現的恆星型黑洞質量上限。

這是一個非常有意思的發現，這讓天文學家頗為驚喜，喜的是又有了新的大發現，驚的是又要改寫模型了，這將牽涉到一大批恆星和黑洞演化理論需要修改。不過可以確信LB-1並不是誕生就那麼大，這也是研究雙星演化的意義，因為黑洞的誕生以及雙星中另一顆恆星演化到巨星時代的質量被大量吞噬，都是LB-1質量增長的重要原因！

也許劉繼峰、張昊彤的團隊未來的黑洞獵手計劃會有進一步的偉大發現出現，我們希望挑戰極限這樣的發現一再發生，當然種花家作為圍觀群眾是不嫌事大的！

2019年11月28日，國際上權威的科學雜誌《自然》發表了劉繼峰、張昊彤研究團隊的重要發現成果，中國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）發現了迄今為止人類已知的最大恆星級黑洞，質量是太陽的70倍，而在此之前，科學家發現的恆星級黑洞，質量大多都小於20倍的太陽質量，所以說，這次發現的70倍太陽質量的黑洞是有史以來人類發現的最大的恆星級黑洞。

此次發現的黑洞，藝術想象圖

所謂恆星級黑洞，就是指質量在3-100個太陽質量之間的黑洞，這種黑洞都是由恆星演變而來，在恆星經過超新星爆發之後，當核心遺留下來的質量大於3個太陽質量時，此時引力就會變得非常強，以至於其表面的逃逸速度大於光速，連光也逃不出去了，所以才黑。而不斷坍縮的核心會一直坍縮下去，直至變成一個原子、質子大小，以至於坍縮到普朗克尺度，約10^-35米。

一般經由恆星超新星爆發而來的黑洞，其質量在起始時都不高，是在以後的吸積過程中，不斷地吸收周圍的物質而長大的，不過，成長也是有限制的，當黑洞的質量超過一定限度時，掉入黑洞的物質會被加熱到很高的狀態，釋放的電磁輻射會將黑洞視界以外的物質向外推，這樣的話，物質就不會無休止的掉入黑洞的大嘴中了。

而此次發現的70倍太陽質量的黑洞，它可能並不是由恆星一次爆發就形成的，而也是存在著成長的過程，由於這個黑洞的周圍存在著一顆約是8倍太陽質量的藍色巨星，它們兩者組成了一個雙星系統，也許這個黑洞的成長離不開身邊的巨大恆星，原本這顆恆星可能質量巨大，在漫長的歲月中，物質都被黑洞吞噬過去了，壯大了黑洞，削弱了恆星，不過，目前對於這個黑洞到底是不是經由吸積過程演變而來還是誕生時就是那麼大的質量，還沒有定論。

首先，我們要知道，黑洞之間的分類。黑洞的分類我們要從黑洞無毛定理說起。

個定理是對經典黑洞簡單性的敘述，它說的是，無論什麼樣的天體，一旦塌縮成為黑洞，幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶，它就只剩下電荷、質量和角動量三個最基本的性質。質量M產生黑洞的視界；角動量L是旋轉黑洞的特徵，在其周圍空間產生渦旋；電荷Q在黑洞周圍發射出電力線，這三個物理守恆量唯一地確定了黑洞的性質。因此，也有人將此定理戲稱為“黑洞三毛定理”。（毛髮是形象地比喻黑洞就是光溜溜一個天體，沒有任何複雜性質）

1973年霍金、卡特爾等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”：“無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由幾個物理量（質量、角動量、電荷）唯一確定”。

因此天文觀測上黑洞只由質量和白旋兩個物理量完全的描述。這實際上暗示了所有黑洞存在簡單的尺度關係。然而，由於黑洞吸積流不同吸積率時的複雜觀測效應，以及跨尺度的黑洞量測量的困難性，這樣一個簡單的尺度關係是很難獲得的。

天體物理黑洞分為恆星級黑洞(1-100個太陽近量)，星系中心的超大質量黑洞（>100000個太陽質量)和介於兩者之間的中等質量黑洞。

那麼恆星級黑洞是如何形成的呢？

恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的 “居民”。一顆恆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阻止這顆恆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。

不過中國發現的超大質量黑洞有望革新恆星級黑洞形成的理論。

我們的研究人員發現了一顆質量是太陽八倍的藍色恆星。

這顆藍色恆星的金屬丰度約為1.2倍太陽丰度，質量約為8倍太陽質量，年齡約為35百萬年，距離我們1.4萬光年。根據藍色恆星和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。科學家稱之為LB-1。

一般模型認為大質量恆星級黑洞主要形成於低金屬丰度（低於1/5太陽金屬丰度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬丰度相近的藍色恆星。

目前恆星演化模型只允許在太陽金屬丰度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恆星演化理論的“禁區”。這可能意味著有關恆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。

當然還存在另一種可能性，LB-1中的黑洞或許不是由一顆恆星坍縮形成的。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併合而成。在這種情形下，該系統將是黑洞併合事件的絕佳候選體，併為研究三體系統中雙黑洞形成提供了獨一無二的實驗室。

目前，科學家對於黑洞的認知其實還處於非常模糊的階段，還需要科學家透過不斷的探索去探求更多的可能性，從而獲知真相！