找到了！中国科学家“活捉”一颗小质量黑洞，挑战现有理论

2024-10-14 10:46科技之最

出品：科普中国

作者：王松（中国科学院国家天文台）

监制：中国科普博览

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黑洞，宇宙中最神秘的天体之一。

科幻小说中，它是“时空之门”；现实生活里，它是物理学家的理论试验场，量子力学与广义相对论在这里碰撞出激烈的火花；也是天文学家持续追踪观测的神秘存在，提供恒星演化、星系成长、引力波等的重要线索。

今年9月，中国科学院国家天文台联合国内多家科研单位，基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局的Gaia卫星数据，利用视向速度方法和天体测量方法，成功在双星系统中“活捉”一颗位于质量间隙的小质量黑洞。这一黑洞的发现，不仅为已知的黑洞质量范围增加了一个新成员，更为双星系统的演化提供了独特而重要的见解。成果发表于《自然·天文》。

今天我们就来讲一讲这颗黑洞的故事。

现实观测与理论推测不符，存在一个质量间隙？

黑洞有一个巨大的家族。科学家将黑洞按照不同的质量分为三类：恒星级黑洞（3倍-100倍太阳质量）、超大质量黑洞（数百万倍太阳质量乃至更大）和中等质量黑洞（介于两者之间）。

其中，按照科学家们的现有理论，恒星级黑洞是由大质量恒星（高于25—40倍太阳质量，具体临界值与恒星金属丰度、自转等有关）死亡形成的：当一颗恒星演化到最后剩下的质量太多，即大于3倍太阳质量，则既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在引力的作用下持续坍缩，最终形成致密的黑洞。

由于在宇宙中，质量小的恒星（如25倍太阳质量）远多于质量大的恒星（如40倍太阳质量），理论预计小质量恒星级黑洞的数目也应远多于大质量恒星级黑洞的数目。

然而，现实的观测却并非如此。

近60年来，传统X射线方法已经证认并测量了20余颗恒星级黑洞的质量，其质量分布显示为，缺少3-5倍太阳质量的小黑洞。这一区间被称为质量间隙（图1）。这与黑洞形成理论的预期——小质量黑洞数量远多于大质量黑洞——差别巨大。

图1：直方图为观测的中子星（NS）与黑洞（BH）的质量分布

（图片来源：根据Belczynsk et al. (2012)改编）

质量间隙是如何形成的？

质量间隙可能是由超新星爆炸时的特殊机制造成的，比如该机制阻止了黑洞在这个质量范围内的形成。

质量间隙也可能是一种观测上的选择效应，比如含有小质量黑洞的双星系统在超新星爆炸时更容易被瓦解，因此更难被探测到，或者双星中小质量黑洞与伴星距离远，不存在物质传输，因此无法用X射线发现。

最近，激光干涉引力波天文台（LIGO）的观测揭示了在质量间隙内存在致密天体，如GW190425和GW230529，但小质量黑洞是否可以存在于双星系统中仍然是一个备受争议的问题。

图2： LIGO发现的GW190425和GW230529。

（图片来源：S. Galaudage）

新发现的黑洞，我们如何给它称重？

此次在双星系统中发现的这颗小质量黑洞，则证实了小质量黑洞确实可以存在于双星系统中。不过，黑洞本身不发光，无法直接观测。我们又是如何得知它的质量的呢？

**我们的测量方法主要基于双星的开普勒运动。**致密天体会吸引着伴星绕双星质心转动，因而不但会产生视向速度周期性变化——光谱上显示为谱线的蓝移和红移（图3左图），其在天球上的位置也会发生周期性变化（图3右图）。

图3 :

上图：恒星朝向或远离我们时，恒星光谱的向短波长方向移动（蓝移）或向长波方向移动（红移），可转换为恒星在视线方向上的速度变化（一维运动）。

下图：双星运动导致亮星（可见星）在天球上的投影（二维运动）。

（图片来源：ESA）

视向速度是一维运动，天体测量是二维运动。两者结合，利用开普勒第三定律，可以求解双星的三维运动，包括轨道周期、视向速度的振幅、轨道倾角等参数。再结合可见星的质量，就可以求出黑洞的质量。

我们的视向速度数据来自LAMOST的光谱观测，而我们的天体测量数据来自Gaia望远镜的观测。

这颗小黑洞位于双星系统G3425中，其中可见星为一颗质量约为2.7倍太阳质量的红巨星，而黑洞的质量约为3.6倍太阳质量（3.1到4.4倍太阳质量之间）（图4）。

图4：G3425双星想象图，包含一颗可见的红巨星和一颗不可见的小质量恒星级黑洞（图片来源：王松绘）

拥有特殊的双星轨道，它是如何演化形成的？

该双星的演化路径也不同寻常。

与其它的恒星级黑洞相比，G3425系统的轨道非常宽（周期约为880天），且接近正圆（椭率约为0）（图5）。如此宽圆轨道的双星，其形成机制对当前的理论双星演化和超新星爆炸理论提出了挑战：

挑战一：与Gaia BH1和BH2的宽轨道相似，难以通过经典的公共包层演化理论形成。G3425中黑洞的低质量表明要扔掉大量物质，需要经过公共包层演化，然而共同包层演化一般会形成周期较短的轨道。数值模拟表明，必须采用较高的共同包层抛射效率，使得既有充分的物质损失，又能及时抛掉公共包层，形成类似于G3425的宽轨道。

挑战二：不同于Gaia BH1和BH2的椭圆轨道，G3425的圆轨道难以通过长期的轨道圆化过程形成。小黑洞的形成要扔掉大量物质，这可能使得双星系统解体或者产生很椭的轨道（即很高的离心率），而在宇宙年龄（即哈勃时标）内，G3425双星系统无法通过潮汐作用使得轨道变为圆形。同理，若G3425是形成于黑洞对巨星的动力学捕获，其轨道也无法在宇宙年龄内变为圆形。

图5：

G3425与其它恒星级黑洞在质量—轨道周期分布的比较。G3425的小黑洞位于图中的右下方。

（图片来源：根据参考文献1改编）

还有其它关于形成的解释吗？

G3425起初可能是一个三星系统，观测到的巨星位于最外层，内双星则包含两颗大质量恒星。现今的黑洞是内双星经过长期演化后并合的结果。甚至，G3425的不可见天体可能仍然包含两颗小质量的致密天体。在这种情况下，它将是双中子星或中子星与大质量白矮星并合的候选体，这是很有意思的，未来可以通过引力波观测来探测其并合事件。

数百个类似系统可能存在，此次发现仅仅是个开始

G3425的发现表明，视向速度和天体测量方法两种方法的结合可以有效发现隐藏于双星中的宁静致密天体并精确测量致密天体的质量。而此前所认为的“恒星级黑洞存在质量间隙”可能是由于单一观测方法造成的选择效应。

G3425是从观测了14.6亿颗天体的Gaia DR3数据中选出来的，这仅覆盖了银河系恒星的1/100，表明在银河系中可能存在数百个这样的系统。

未来的光谱和天体测量观测，尤其是即将发布的Gaia DR4，有助于发现多种类型的小质量黑洞双星族群，并为双星系统的形成和演化、致密天体形成等提供深入的理解。

参考文献：

1. Wang, S., Zhao, X., Feng, F. et al. A potential mass-gap black hole in a wide binary with a circular orbit. Nat Astron (2024).