人员中子-刷新质量下限 最小黑洞填补观测空白-吉尼斯世界之最

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太阳大声退伍

那麼,人們為什麼要尋找小質量的黑洞?距離地球遙遠的黑洞,其質量是怎樣計算出來的?發現「小黑洞」對我們來說意味着什麼?

在其中一個樣本里,一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個「看不見的」恆星轉動。研究人員確定這是一個黑洞,並且注意到其質量似乎遠小於已知黑洞,而又大於已知最大的中子星。隨後研究人員根據阿帕奇波因特天文台星系演化實驗室(APOGEE)、蓋亞衛星等觀測平台傳來的補充數據進一步計算髮現,這個黑洞的質量大約為3.3倍太陽質量。

該研究日前發表在《科學》雜誌上。

2017年,激光干涉引力波天文台(LIGO)觀察到兩個質量分別為31倍太陽質量和25倍太陽質量的黑洞併合。LIGO發現比以往更大質量的黑洞合併事件,讓人不禁猜測,或許也有更小質量黑洞未被發現。

由於沒有對應的觀測結果,天文學家不能確切說明質量在「質量間隙」的天體究竟是中子星還是黑洞,也不能證實推測的結果正確與否。苟利軍認為,這次發現小質量黑洞后,人們將可能對黑洞的形成與恆星的生命歷程有更深刻的認識。

「雙星系統」中看不見的那一位

中國科學院國家天文台研究員苟利軍在接受科技日報記者採訪時說:「在宇宙中,我們此前從沒有發現質量如此小的黑洞。這次發現的小質量黑洞,會豐富我們對恆星生命歷程的了解。」

此次發現的最小黑洞來源於一個雙星系統。雙星系統,指的是兩顆天體的引力提供向心力,使兩者一起圍繞同一點旋轉的天體組合。在雙星系統中,一個恆星依然可以受黑洞的引力吸引,繼續圍繞其旋轉。但是,由於黑洞的巨大引力,光子速度不足以擺脫黑洞引力,永遠無法逃逸出去,因此用光學觀測手段無法看見黑洞,只能看到其「同伴」。反過來,只要找到一顆看不見伴星且符合雙星系統運動規律的恆星,就可以判斷其「伴星」是一個黑洞。根據牛頓運動定律,通過對伴星軌道的觀測和計算,研究人員還可以確定這個黑洞的質量。此次研究中,研究人員正是利用上述方法找到了這個最小黑洞。

本次研究論文第一作者、美國俄亥俄州立大學天文學教授托德·湯普森從這一猜測出發,投入到新型小質量黑洞的搜尋中。本次發現的小黑洞,恰恰填補了這一觀測空白區域。

研究人員利用的樣本數據是來自於阿帕奇波因特天文台的光譜數據。由於發光天體在遠離地球時,從地球上觀測其光波頻率會下降,反之就會上升,因此研究人員只需根據光波頻率增減情況,就可以計算出恆星的運行軌跡,判斷一顆恆星是否在圍繞一個「同伴」運行。

苟利軍說:「一般發現的黑洞質量多集中在7到8倍太陽質量左右。通常宇宙中的小質量恆星更多,但卻沒觀察到質量非常小的黑洞。」

質量大小至關重要「上世紀三十年代,奧本海默等提出了『奧本海默極限』,認為中子星的質量存在上限。」苟利軍說,「理論上,質量大於『奧本海默極限』的中子星將會坍縮。」

理論上,宇宙中大量存在的小質量恆星爆炸,這會導致小質量黑洞占多數。然而與理論預期相反,在湯普森教授的研究發表之前,還沒有人發現位於「質量間隙」的任何黑洞。

由此,研究人員從尋找雙星系統的角度出發,在10萬個恆星樣本中篩選出了200個值得關注的樣本。

湯普森說道:「我們可能確定了一個新型小質量黑洞。天體的質量非常重要,它告訴我們,天體本質是怎樣的,形成和演化的過程又是怎樣的。」

黑洞的演化理論認為,中子星是恆星演化最後階段的形態之一,而質量過大的中子星並不穩定,將會坍縮形成黑洞。然而,此前確認的黑洞質量至少達5倍太陽質量,中子星質量則一般不超過2.1倍太陽質量。人們對質量位於中子星與黑洞之間——被稱為「質量間隙」的天體尚無確切了解。

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