刷新质量下限 最小黑洞填补观测空白
天闻频道
实习生 张临谦 本报记者 刘 霞
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(LI)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。LI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。”