近日，美國俄亥俄州立大學的研究人員發現了一種新型的小品質黑洞，填補了宇宙中已知中子星與黑洞之間存在的品質空白，將已觀測黑洞品質的下限降低了約三分之一。該研究日前發表在《科學》雜志上。

　　中國科學院國家天文臺研究員茍利軍在接受科技日報記者採訪時説：“在宇宙中，我們此前從沒有發現品質如此小的黑洞。這次發現的小品質黑洞，會豐富我們對恒星生命歷程的了解。”

　　那麼，人們為什麼要尋找小品質的黑洞？距離地球遙遠的黑洞，其品質是怎樣計算出來的？發現“小黑洞”對我們來説意味著什麼？

　　“雙星係統”中看不見的那一位

　　此次發現的最小黑洞來源于一個雙星係統。雙星係統，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。在雙星係統中，一個恒星依然可以受黑洞的引力吸引，繼續圍繞其旋轉。但是，由于黑洞的巨大引力，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係統運動規律的恒星，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品質。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。

　　研究人員利用的樣本數據是來自于阿帕奇波因特天文臺的光譜數據。由于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，就可以計算出恒星的運作軌跡，判斷一顆恒星是否在圍繞一個“同伴”運作。

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

　　在其中一個樣本裏，一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個“看不見的”恒星轉動。研究人員確定這是一個黑洞，並且注意到其品質似乎遠小于已知黑洞，而又大于已知最大的中子星。隨後研究人員根據阿帕奇波因特天文臺星係演化實驗室（APOGEE）、蓋亞衛星等觀測平臺傳來的補充數據進一步計算發現，這個黑洞的品質大約為3.3倍太陽品質。

　　品質大小至關重要

　　“上世紀三十年代，奧本海默等提出了‘奧本海默極限’，認為中子星的品質存在上限。”茍利軍説，“理論上，品質大于‘奧本海默極限’的中子星將會坍縮。”

　　黑洞的演化理論認為，中子星是恒星演化最後階段的形態之一，而品質過大的中子星並不穩定，將會坍縮形成黑洞。然而，此前確認的黑洞品質至少達5倍太陽品質，中子星品質則一般不超過2.1倍太陽品質。人們對品質位于中子星與黑洞之間——被稱為“品質間隙”的天體尚無確切了解。

　　2017年，鐳射干涉引力波天文臺（LIGO）觀察到兩個品質分別為31倍太陽品質和25倍太陽品質的黑洞並合。LIGO發現比以往更大品質的黑洞合並事件，讓人不禁猜測，或許也有更小品質黑洞未被發現。

　　茍利軍説：“一般發現的黑洞品質多集中在7到8倍太陽品質左右。通常宇宙中的小品質恒星更多，但卻沒觀察到品質非常小的黑洞。”

　　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，投入到新型小品質黑洞的搜尋中。本次發現的小黑洞，恰恰填補了這一觀測空白區域。

　　理論上，宇宙中大量存在的小品質恒星爆炸，這會導致小品質黑洞佔多數。然而與理論預期相反，在湯普森教授的研究發表之前，還沒有人發現位于“品質間隙”的任何黑洞。

　　由于沒有對應的觀測結果，天文學家不能確切説明品質在“品質間隙”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。茍利軍認為，這次發現小品質黑洞後，人們將可能對黑洞的形成與恒星的生命歷程有更深刻的認識。

　　湯普森説道：“我們可能確定了一個新型小品質黑洞。天體的品質非常重要，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。”（實習生 張臨謙 記者 劉霞）

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責任編輯： 黃浩