最近，我国科学家又有了世界级的科学发现——北京时间2019年11月28日凌晨，自然科学领域的国际顶尖期刊《自然》在线发布的论文阐述了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的研究团队发现的一颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞（命名为LB-1），并提供了一种利用我国重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）的巡天优势寻找黑洞的新方法。

发表在《自然》上的相关论文截图（来源：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2）

    根据报道，这颗70倍太阳质量的超大恒星级黑洞远超理论预言的质量上限，科学家认为它已经颠覆了学术界对恒星级黑洞形成的认知，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。不过很多朋友可能要问了，以前听说的大黑洞都是多少万倍甚至多少亿倍的太阳质量啊？例如今年夏天曾引发讨论的一个距离我们7亿光年的霍尔姆15A星系团中的黑洞质量是太阳的400亿倍。那么，最近报道的这个LB-1黑洞只有太阳质量的70倍，怎么就说“最大”了呢？
    其实我们要留意这个描述中的定语——最大的“恒星级”黑洞。也就是说，LB-1黑洞是“恒星级”黑洞当中最大的。熟悉周星驰电影的朋友们大概还记得一句经典台词——“乞丐中的霸主，那是什么？还是乞丐！”如果把所有黑洞放在一起说，恒星级黑洞无疑只能是“小不点”，它们的质量通常只有太阳质量的几倍到十几倍，也就是说它们的质量是恒星水平的；LB-1黑洞的质量高达太阳质量的70倍，称得上是“矮子中的将军”，恒星级黑洞中的“霸主”——当然，还是恒星级黑洞。今天我们就是来跟大家聊聊所谓的“恒星级黑洞”。

伴星系统中的恒星级黑洞艺术图（来源：https://vignette.wikia.nocookie.net/space/images/a/a2/Black_hole.jpg/revision/latest?cb=20110801160703）

    我们都知道黑洞是宇宙中连光都逃不出其引力的天体。所谓恒星级黑洞（stellar black hole，或 stellar-mass black hole），是由大质量恒星（3倍或更多倍太阳质量）在其生命周期结束时的引力坍缩形成的黑洞。这一过程在观测上可以由超新星爆炸或伽马射线爆发来追寻其踪迹。依据这样的理论，这样一个黑洞的质量至少为1.44个太阳质量（钱德拉塞卡极限），而上限往往被认为大约是十几倍太阳质量。
    当太阳这样拥有巨大质量的恒星“燃烧殆尽”、耗尽其能量的时候，就不可避免的在引力作用下发生坍缩。如果其质量不算很大，坍缩成白矮星或中子星这样的致密天体，其作用力就可以与引力平衡，停止坍缩；但超过临界值质量的天体就会在坍缩下形成黑洞。
    从广义相对论来讲，理论上可以存在任何质量的黑洞，但质量越低，形成黑洞所需的物质密度就越高，也就是黑洞的尺寸越小（史瓦西半径小）。目前已知最小的黑洞质量大约是太阳的3.3倍。

艺术图：恒星级黑洞（左）从伴星（由）吸收物质（来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/full_width_feature/public/images/624540main_igr_665.jpg）

    有朋友问了，太阳（也就是1倍太阳质量的恒星）能不能坍缩成恒星级黑洞？从我们现有的黑洞形成机制推算应该是不能，以太阳的质量来说，它的“末日”应该像我们刚才提到的一样变成一颗白矮星，还不足以让它直接坍缩成一个黑洞。从理论上来说质量小于一个太阳的黑洞应该由其他机制产生（例如宇宙形成早期的环境）。从另一个方面来说，恒星以及坍缩相关的理论也不支持太大质量的黑洞（目前恒星演化模型只能推演出最大为30倍太阳质量的恒星级黑洞），这也是为什么一直认为恒星级黑洞不会有像LB-1黑洞的70倍太阳质量这么大。所以，根据这些描述我们就可以看出，观测到大质量的恒星级黑洞，对恒星演化和黑洞形成理论具有非常重大的意义，说是“颠覆性”的观测也不为过。
    特别大的黑洞我们称之为超大质量黑洞，通常有太阳质量的一百万到几十亿倍。我们前文提到的霍尔姆15A星系团中的黑洞质量是太阳的400亿倍，这种就是所谓的超大质量黑洞，一般认为几乎所有的大质量星系都有一个超大质量黑洞在其中心。在恒星级黑洞和超大质量黑洞之间，有些学者认为存在中间级（中等质量黑洞），也有学者持反对意见，不过也一直缺少有力的观测。

螺旋形的银河系中心被认为存在一个超大质量黑洞（来源：https://vignette.wikia.nocookie.net/space/images/5/50/Milky_Way_Arms.png/revision/latest?cb=20121211064824）

    可惜的是，由于黑洞的特性，其观测非常困难，我们对黑洞的性质知之甚少。超大质量黑洞有着巨大的引力，能够影响周围众多的天体（例如我们所处的银河系就被认为是恒星“团结”在超大质量黑洞周围形成的），我们对这些天体的行为进行分析，能得到很多超大质量黑洞的信息。而恒星级黑洞的质量太小了，它的观测就格外困难。银河内有数以千亿计的恒星，按照理论预测，银河系中应该有上亿颗恒星级黑洞，但是在过去的约50年当中，人们只发现了约20颗恒星级黑洞，质量约在3到20倍太阳质量之间。
    那么科学家是怎么寻找恒星级的黑洞的呢？由于辐射一旦越过黑洞的视界就无法逃脱其巨大的引力，因此很难孤立地发现这些黑洞，但是我们可以借助间接观测。恒星黑洞最容易在X射线双星系统中发现，在该系统中，来自伴星的气体被拉入黑洞，当气体通过吸积盘向黑洞旋转下落时，被加热到几千万度，可以产生相应的X射线，在通过这种X射线推测黑洞存在的同时，还可以通过观测伴星受到引力的效应来测量黑洞的质量。不过这种方法只能发现很小一部分恒星级黑洞，当黑洞和它的伴星距离较远时不会出现发出X射线的这些过程。

黑洞吸积放射X射线的艺术想象图
（来源：https://inews.gtimg.com/newsapp_bt/0/10857507808/641）

    因此，这次对“霸主”LB-1黑洞的观测也是一次寻找恒星级黑洞方法上的创新。LB-1黑洞所在的双星系统是没有足够强的X射线辐射的，事实上这颗黑洞和它的伴星相距较远（1.5倍日地距离），研究人员用美国钱德拉X射线天文台的观测表明LB-1黑洞对其伴星吸积非常微弱。但是，科学家们观测和比对双星系统中伴星的光谱，发现光谱中一条近乎静止且运行方向和B型星反相位的明线（Hα发射线），并在深入的计算中推算出该双星系统中存在一个质量约为70倍太阳质量的不可见天体，质量又大又不可见，从各种性质来看，它都只能是黑洞。

该论文中的光谱观测图（来源：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2）

    我们前文也说了，目前恒星演化模型只能推演出最大为30倍太阳质量的恒星级黑洞。所以，可能恒星演化的理论需要做出改变，或者黑洞形成的理论中也有未发现的机制。无论如何，这都是一次非常重要的科学发现。

来源：中科院之声 国家空间科学中心