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爲隱身的黑洞精確稱重
2019-11-26 | 彩客网首页: | 【】【打印】【關閉

爲隱身的黑洞精確稱重

--上海天文台提出天體測量新方法,將提供恒星級質量黑洞測定的新手段

    一顆大質量恒星演化到生命晚期,經過超新星爆炸,剩余的殘骸可能成爲一顆恒星級質量黑洞。銀河系中有幾千億顆恒星,理論上應該有上億顆恒星級質量黑洞。然而,目前僅觀測到20個左右,質量多在5倍到20倍太陽質量之間。 

  絕大多數已證認的恒星級質量黑洞或候選者多處于黑洞雙星系統中,主要通過X射線爆發現象來尋找。然而用這種方法尋找存在一定的局限性,只能篩選出正在從伴星吸積物質進而釋放X射線輻射的黑洞雙星,無法篩選出物質交換很微弱(X射線波段隱身的)的黑洞雙星系統,也就錯失了很多這類恒星級質量黑洞。尋找更多隱身的恒星級質量黑洞,成爲研究黑洞形成理論、恒星演化模型等領域的重要命題,而這些模型是天體物理研究的基石之一。 

    近日,由国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的国际研究团队基于视向速度法,发现并证实了一颗70倍太陽質量的隱身黑洞,是迄今爲止的質量最大的恒星級質量黑洞;它的伴星是一顆金屬豐度與太陽相當、質量8倍于太陽質量的恒星,所組成的系統也是目前銀河系中發現的間距最大的黑洞雙星系統。目前該工作已在國際頂級科學期刊《自然》(Nature)發表。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限,顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知,勢必推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

1. 黑洞伴星視向速度隨周期相位的變化曲線,紫色實線爲黑洞伴星的速度變化曲線,帶誤差棒的點是基于中國郭守敬望遠鏡(LAMOST)、西班牙加納利大型望遠鏡(GTC)和美國凱克望遠鏡(Keck)观测的光谱数据解算出的速度。圖片来源:Liu et al. 2019, Nature

  2. 新发现的黑洞及其伴星的艺术想象圖。(喻京川绘制) 

  這項工作是基于LAMOST(中國興隆)、加納利大望遠鏡(西班牙加納利群島)、凱克望遠鏡(美國夏威夷)和錢德拉X射線天文台(美國)的觀測數據完成的。本研究共包括55位作者,來自中國、美國、西班牙、澳大利亞、意大利、波蘭和荷蘭7個國家29家單位。  

  LIGO天文台台長David Reitze評論說,在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞,將迫使天文學家改寫恒星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果,將與過去四年裏LIGO-Virgo探測到的雙黑洞並合事件一起推動我們對黑洞天體物理研究的複興。 

  確定這顆隱身黑洞的質量,就類似于根據月球的運動來測定地球的質量。黑洞在光學上不可見,但它的伴星是能夠被光學望遠鏡觀測到。由于黑洞和伴星之間的引力,伴星與黑洞是相互繞轉的。在繞轉軌道面與視線方向非垂直的情況下,在視線方向上伴星會周期性朝向和遠離我們。這些信號在恒星光譜中呈現出來。 

    因此根據多次重複觀測的恒星光譜,能較爲高效便捷地發現恒星的視向速度的變化,結合恒星光譜中獲取的恒星參數,可在一定量級上估算光學上不可見的那個天體的質量,但是難以精准測定其質量。如果要進一步不依賴模型地測定非可見天體質量,仍需要引入天體測量數據

  3. 通过黑洞周围恒星的轨道运动测定黑洞质量的示意圖。圖片来源:NASA 

  此项工作中,由齐朝祥研究员领导的彩客网-首页天体测量团队参与了有关盖亚卫星发布的第二批星表数据(Gaia-DR2)及其誤差解釋分析的工作。Gaia衛星實現的天體測量最高精度已達10微角秒量級(1微角秒等于百萬分之一角秒),爲高精度測量恒星到我們的距離以及恒星所繞轉的不可見天體的質量提供了必要的測量數據支撐。由于文章投稿至《自然》之前和審稿期間,Gaia原始觀測數據點位很少,黑洞質量解算精度比較差,最終大家決定先不在此篇文章中呈現天體測量數據的獨立解算結果。 

    “但在这篇論文投稿后,我们多次迭代升级数据处理方案,并积累了更多Gaia高精度觀測數據,廖石龍花費大量精力編制出了一套非常複雜的軟件系統,並計算了雙星系統中恒星的軌道參數,獨立解算出了這個黑洞質量。目前,相關結果正由歐空局Gaia科學委員會審議,通過後,將向外界公布基于天測數據測定的黑洞質量結果,爲黑洞研究錦上添花。”上海天文台天體測量團隊負責人齊朝祥研究員說。

4. 歐空局Gaia卫星的示意圖,在其遮阳帆布上方其有两个夹角为106.5度的指向镜,这种设计独特设计可用来绝对测量不同天区天体间的角距离及其变化。随着卫星自身转动和绕太阳运动,最终基于多年观测数据可解算出这些天体的高精度天体测量参数(赤经、赤纬、绝对视差、自行和轨道运动)。圖片来源:ESA 

  上海天文台是亚洲唯一参加歐空局Gaia衛星天體測量數據處理的單位。在2017年劉繼峰團隊提出合作研究黑洞後,上海天文台天體測量團隊(核心成員:齊朝祥、廖石龍、于湧、Mario Lattanzi)經過近兩年的多輪次方案叠代和攻關,提出了巧妙且可達超高精度的數據處理方法。 

  20199月份成功研發出了針對Gaia衛星原始觀測數據精准解算隱身天體质量的软件,可利用实测数据测定恒星位置、距离、自行、黑洞质量以及系外行星质量(整个歐空局Gaia數據團隊,目前僅有上海團隊實現了此功能)。2019年初,上海天文台(齊朝祥、廖石龍)與國家天文台劉繼峰等人聯合申請了2019年度國家自然基金重點項目《致密天體質量分布研究》,目前該項目已正式獲得批准(1193000332),我們將努力發現更多中小質量黑洞並測定其質量分布,這也將開啓天體測量學的新方向。   

    論文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2

  其它媒體報道鏈接: 

  加納利群島天體物理研究所天文台:Astronomers discover a giant black hole that challenges current models of stellar evolution 

  https://www.iac.es/en/outreach/news/astronomers-discover-giant-black-hole-challenges-current-models-stellar-evolution 

    

    

    

 

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