巡天7年，我国自主研制的国家重大科技基础设施——郭守敬望远镜（简称LAMOST）再立大功。近日，依托这一“千里眼”，中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队突破传统观测方法，发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，这颗70倍太阳质量的黑洞远超目前天文学理论预言的质量上限，被科学家们称为银河系内的“黑洞冠军”。该成果于北京时间11月28日凌晨在国际期刊《自然》上发表。
 

一颗新天体：刷新黑洞形成理论
 

黑洞作为一种本身不发光的神秘天体，在宇宙中难以被直接“看到”。在分类上，黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。其中，恒星级黑洞是由大质量的恒星死亡塌缩形成的。
 

南京大学天文与空间科学学院院长李向东介绍，在恒星转化为黑洞的过程中，恒星中除氢和氦以外的所有元素总数，即金属丰度是一个重要参数。一直以来，黑洞形成的理论模型认为，大质量的恒星级黑洞主要形成于低金属丰度（低于1/5太阳金属丰度）的环境中，因此，恒星这类天体在太阳金属丰度下只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞，然而，刘继峰、张昊彤研究团队本次发现的黑洞，金属丰度近似于太阳，但计算结果显示，质量上大于太阳70倍，显然已经突破了现有恒星演化理论。
 

“这样的结果让当时的我们有点不敢相信。”国家天文台副台长、研究员刘继峰回忆。他认为，这个新发现的黑洞质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”，“这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被改写，或者以前某种黑洞形成机制被忽视”。
 

一种新方法：不依托X射线也能捕捉黑洞
 

天文学理论预言，人类所处的银河系中就有上亿颗恒星级黑洞，但迄今为止，天文学家仅在银河系内发现了约20颗恒星级黑洞。这又是为什么呢？
 

原来，正因为“看不见”黑洞，科学家们只能“迂回”地通过其他现象来研究。刘继峰介绍，物质在被黑洞吞噬的过程中，会产生X射线。人类通过光谱仪捕捉这些射线，形成数据，由此计算出黑洞的位置、规模和质量等特征。然而，并非所有黑洞在吸收物质时都有明亮的X射线，因此，找到新的方法，发现更多没有X射线辐射的黑洞，成了天文学界近年来研究的热点。
 

记者了解到，从2016年秋季开始，本次研究团队开始利用LAMOST监测银河系内一个小天区的3000多颗恒星，跟踪它们的光谱变化。结果发现，在一个X射线辐射非常宁静的双星系统（简称LB-1）中，一颗有8倍太阳质量的蓝色恒星，围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。它光谱中一条近乎静止且运行方向和恒星本身反相位的Hα发射线成为科学家的新线索。
 

他们推断，那个“看不见的天体”极有可能是一颗黑洞。为此，研究团队又先后通过西班牙和美国的光谱望远镜进一步确认验证了LB-1的光谱性质，最终通过观测到的数据，计算出这颗恒星年龄约为35百万年，距离我们1.4万光年，金属丰度相当于太阳，而这颗新发现的黑洞质量竟达到了太阳的70倍。
 

刘继峰说：“这个黑洞从未在任何X射线观测中被探测到，它的X射线辐射非常宁静，所以，我们为天文界提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。”
 

一个新证明：LAMOST不愧“光谱之王”
 

新闻发布会上，李向东向记者强调：“此次研究成果的获得，LAMOST功不可没，这是我们依托我国自主研发的天文设备进行的开创性研究，证明了它强大的光谱获取能力。”
 

国家天文台高级工程师白仲瑞介绍，LAMOST拥有4000颗“眼睛”即光纤，一次能观测近4000个天体，可谓“一眼千星”。2019年3月，LAMOST公开发布了1125万条光谱，成为全球首个突破千万的光谱巡天项目，被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。
 

在本次研究中，历时两年的监测里，LAMOST共为这项研究做了26次观测，累积曝光时间约40个小时。刘继峰表示，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，同样的概率下，估计需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。
 

“这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，也是LAMOST发现的第一颗黑洞，它的出现将标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来，天文学家有望发现更多‘深藏不露’的平静态黑洞。”刘继峰说。