近日,美国俄亥俄州立大学的研究人员发现了一种新型的小质量黑洞,填补了宇宙中已知中子星与黑洞之间存在的质量空白,将已观测黑洞质量的下限降低了约三分之一。该研究日前发表在《科学》杂志上。

中国科学院国家天文台研究员苟利军在接受科技日报记者采访时说:“在宇宙中,我们此前从没有发现质量如此小的黑洞。这次发现的小质量黑洞,会丰富我们对恒星生命历程的了解。”

那么,人们为什么要寻找小质量的黑洞?距离地球遥远的黑洞,其质量是怎样计算出来的?发现“小黑洞”对我们来说意味着什么?

“双星系统”中看不见的那一位

此次发现的最小黑洞来源于一个双星系统。双星系统,指的是两颗天体的引力提供向心力,使两者一起围绕同一点旋转的天体组合。在双星系统中,一个恒星依然可以受黑洞的引力吸引,继续围绕其旋转。但是,由于黑洞的巨大引力,光子速度不足以摆脱黑洞引力,永远无法逃逸出去,因此用光学观测手段无法看见黑洞,只能看到其“同伴”。反过来,只要找到一颗看不见伴星且符合双星系统运动规律的恒星,就可以判断其“伴星”是一个黑洞。根据牛顿运动定律,通过对伴星轨道的观测和计算,研究人员还可以确定这个黑洞的质量。此次研究中,研究人员正是利用上述方法找到了这个最小黑洞。

研究人员利用的样本数据是来自于阿帕奇波因特天文台的光谱数据。由于发光天体在远离地球时,从地球上观测其光波频率会下降,反之就会上升,因此研究人员只需根据光波频率增减情况,就可以计算出恒星的运行轨迹,判断一颗恒星是否在围绕一个“同伴”运行。

由此,研究人员从寻找双星系统的角度出发,在10万个恒星样本中筛选出了200个值得关注的样本。

在其中一个样本里,一颗红巨星看上去像是在围绕另一个“看不见的”恒星转动。研究人员确定这是一个黑洞,并且注意到其质量似乎远小于已知黑洞,而又大于已知最大的中子星。随后研究人员根据阿帕奇波因特天文台星系演化实验室(APOGEE)、盖亚卫星等观测平台传来的补充数据进一步计算发现,这个黑洞的质量大约为3.3倍太阳质量。

质量大小至关重要

“上世纪三十年代,奥本海默等提出了‘奥本海默极限’,认为中子星的质量存在上限。”苟利军说,“理论上,质量大于‘奥本海默极限’的中子星将会坍缩。”

黑洞的演化理论认为,中子星是恒星演化最后阶段的形态之一,而质量过大的中子星并不稳定,将会坍缩形成黑洞。然而,此前确认的黑洞质量至少达5倍太阳质量,中子星质量则一般不超过2.1倍太阳质量。人们对质量位于中子星与黑洞之间——被称为“质量间隙”的天体尚无确切了解。

2017年,激光干涉引力波天文台(LIGO)观察到两个质量分别为31倍太阳质量和25倍太阳质量的黑洞并合。LIGO发现比以往更大质量的黑洞合并事件,让人不禁猜测,或许也有更小质量黑洞未被发现。

苟利军说:“一般发现的黑洞质量多集中在7到8倍太阳质量左右。通常宇宙中的小质量恒星更多,但却没观察到质量非常小的黑洞。”

本次研究论文第一作者、美国俄亥俄州立大学天文学教授托德·汤普森从这一猜测出发,投入到新型小质量黑洞的搜寻中。本次发现的小黑洞,恰恰填补了这一观测空白区域。

理论上,宇宙中大量存在的小质量恒星爆炸,这会导致小质量黑洞占多数。然而与理论预期相反,在汤普森教授的研究发表之前,还没有人发现位于“质量间隙”的任何黑洞。

由于没有对应的观测结果,天文学家不能确切说明质量在“质量间隙”的天体究竟是中子星还是黑洞,也不能证实推测的结果正确与否。苟利军认为,这次发现小质量黑洞后,人们将可能对黑洞的形成与恒星的生命历程有更深刻的认识。

汤普森说道:“我们可能确定了一个新型小质量黑洞。天体的质量非常重要,它告诉我们,天体本质是怎样的,形成和演化的过程又是怎样的。”