北京时间11月28日上午，国家天文台在北京举行新闻发布会，报告了一项由我国天文学家主导的重大发现。刘继峰、张昊彤领导的研究团队利用LAMOST“郭守敬”望远镜等设备在银河系内发现了一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，从而引发了人们对恒星级黑洞演化理论的全新思考。这项研究成果由国际顶级学术期刊《自然》在线发表。
先讲重点：
发现——一颗68倍太阳质量的黑洞LB-1，为目前已知恒星级黑洞质量之最。方法——恒星光谱视向速度法。设备——LAMOST“郭守敬”望远镜、GCT望远镜、Keck望远镜。意义——证实恒星级黑洞在银河系内的存在性；对黑洞演化理论提出了挑战。具体是怎么回事，我们来详细解读：
自从广义相对论预言了一种不发光的致密天体后，天文学家就一直渴望能找到这种“黑又硬”的东西。通常来说，寻找黑洞主要有这样几种方法。第一，假如黑洞正在“吃”东西，黑洞外围的吸积盘会发射强烈的X射线，现在已知的许多黑洞都是通过这种方式发现的。第二，假如黑洞“抓”住了一颗恒星，那么通过这颗恒星的摆动幅度，可以计算出它绕着多大多重的一个天体运动，从而推测黑洞的存在。第三，引力波，假如两个黑洞碰撞在一起，它们会合并成一个更大的黑洞，并损失一部分能量，以引力波的形式传递出去。
根据黑洞质量的不同，天文学家将黑洞大致分为三档：倍太阳质量以下的为恒星级黑洞，-10万倍太阳质量的为中等质量黑洞，10万倍太阳质量以上的为超大质量黑洞。目前我们认为绝大多数星系中心都拥有一个超大质量黑洞，今年4月由EHT公布的黑洞照片所显示的就是M87星系的中心黑洞，质量为太阳的65亿倍。理论认为，恒星级黑洞是由大质量恒星死亡坍缩形成的，它们应当数量非常多。我们银河系大约有亿颗恒星，按正常比例，恒星级黑洞的数量应该至少有数千万之众。然而由于它们本身不发光，质量又不太大，活动也不剧烈，因此很难被发现。
M87星系中心黑洞（来源：EventHorizon这次的新发现来源于天文学家开展的双星系统研究计划。年初，LAMOST科学巡天部主任张昊彤研究员和云南天文台韩占文院士提出用LAMOST观测双星光谱。他们首先选择位于双子座的一片天区中的多个天体进行观测，这是“开普勒”望远镜K2任务曾扫描过的地方（K2-0）。“开普勒”是测光高手，LAMOST则是光谱效率之王。LAMOST（“大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜”）口径达到4米，但不是普通的反射镜，而是条光纤，可以同时拍摄最多颗恒星的光谱，是现在世界上效率最高的大视场大口径光谱巡天望远镜。在这颗恒星中，研究人员发现了大约颗亮度呈显著周期变化，其中一颗约11.5等的恒星的光谱显得与众不同。后来它被命名为LB-1。
恒星光谱经常会被天文学家比喻为恒星的条形码、指纹、DNA等等，可见光谱中蕴含着恒星身上许许多多信息。研究人员从LB-1的光谱轮廓中识别出这是一颗年轻的B型恒星。更具体地说，它的表面温度达到18开，表面重力加速度达到m/s，根据恒星模型，它的质量约为太阳的8.2倍，直径为太阳的9倍，年龄约万年。随后，通过西班牙10.4米口径加纳利望远镜和美国10米口径凯克望远镜高分辨率光谱观测找到了几条特征吸收线，证实它是B3V型亚巨星。这对之后计算黑洞质量至关重要！
左上图为LB-1的光谱（黑线）与典型A1型恒星光谱轮廓（红线）和典型B3型恒星光谱轮廓（绿线）的对比。左下图为Keck望远镜拍摄的LB-1高分辨率光谱吸收线（黑线）与热亚矮星理论谱线（蓝线）的对比，显然不吻合，排除这种可能，推测LB-1的可见恒星为B型亚巨星。（来源：JifengLiuetal./arXiv:.v1）
LB-1中B型星的光谱吸收线存在明显的左右移动，这是恒星运动产生的多普勒效应，由此可知它最大视向速度约52.8km/s，它正围绕着“什么东西”作周期为78.9天的轨道运动。最为惊人的是，恒星的光谱中出现了一条本不该出现的强大的Hα发射线，说明有一个天体的光谱“附着在”恒星上，而产生发射线的地方温度极高。一个有着很高温度却看不见的天体会是什么呢？黑洞是最好解释。进一步观察这条吸收线，它只出现了极小范围的移动。根据这种效果，可以推测出双星系统的质量比超过1:8，那个黑洞的质量接近太阳的70倍，一举摘得恒星级黑洞质量冠军！此前LIGO观测到恒星级黑洞最大质量为50.6倍太阳质量，预计并合后最大质量约80倍太阳质量（并未直接观测证认）。
这下可惹出“大麻烦”了。通常，我们会认为一个双星系统具有同源性，说得俗一些，应该是从“一个娘胎”里出来的。然而根据光谱信息，研究人员计算出这颗B型星的金属丰度（指所有重于氦的元素的整体丰度）约为太阳的1.2倍，然而根据恒星演化理论，类太阳金属丰度的恒星最多只能形成25倍太阳质量的黑洞。如果你想接受这个恒星级黑洞巨人与B型恒星产生自同一原始星云，那么令天文学家为之骄傲的恒星演化理论必须重写！这可不止“伤筋动骨”那么简单。
那有没有可能先有了黑洞，再俘获了B型星呢？恒星演化理论不支持类太阳丰度恒星形成大质量恒星级黑洞，但是由大质量贫金属恒星死亡并产生大质量恒星级黑洞是允许的。然而，根据光变曲线推测LB-1系统中B型星绕黑洞的公转轨道偏心率仅为0.03左右，是非常圆的形态。根据潮汐理论，一个天体被俘获后走的是一条椭圆轨道，在引潮力作用下轨道渐渐地“圆化”，但是计算表明，要达到那么圆的轨道需要经历的时间是大于当前宇宙年龄的。如此说来，到底是潮汐理论错了，还是我们对宇宙年龄的测算存在严重偏差呢？
上述理论都太“硬”了，已被屡次证明其正确性，轻易动不得。因此最可行的办法是找到一条新的理由，让现在这种存在成为合理。例如是否可能在黑洞形成后，在相对较远的范围里，星际物质又凝聚形成了年轻的B型星，就像太阳系行星那样。不过，这只是一种过于简单的猜测。现在，全球理论物理学家已经开始了努力，为黑洞巨人重现其“来时的路”。
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