填补了宇宙中已知中子星与黑洞之间存在的质量空白

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【湖人不敌猛龙】

苟利軍說:“一般發現的黑洞質量多集中在7到8倍太陽質量左右。通常宇宙中的小質量恆星更多,但卻沒觀察到質量非常小的黑洞。”

中國科學院國家天文臺研究員苟利軍在接受科技日報記者採訪時說:“在宇宙中,我們此前從沒有發現質量如此小的黑洞。這次發現的小質量黑洞,會豐富我們對恆星生命歷程的瞭解。”

在其中一個樣本里,一顆紅巨星看上去像是在圍繞另一個“看不見的”恆星轉動。研究人員確定這是一個黑洞,並且註意到其質量似乎遠小於已知黑洞,而又大於已知最大的中子星。隨後研究人員根據阿帕奇波因特天文臺星系演化實驗室(APOGEE)、蓋亞衛星等觀測平臺傳來的補充數據進一步計算發現,這個黑洞的質量大約為3.3倍太陽質量。

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

研究人員利用的樣本數據是來自於阿帕奇波因特天文臺的光譜數據。由於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,就可以計算出恆星的運行軌跡,判斷一顆恆星是否在圍繞一個“同伴”運行。

理論上,宇宙中大量存在的小質量恆星爆炸,這會導致小質量黑洞占多數。然而與理論預期相反,在湯普森教授的研究發表之前,還沒有人發現位於“質量間隙”的任何黑洞。

由於沒有對應的觀測結果,天文學家不能確切說明質量在“質量間隙”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。苟利軍認為,這次發現小質量黑洞後,人們將可能對黑洞的形成與恆星的生命歷程有更深刻的認識。

天聞頻道實習生張臨謙本報記者劉霞近日,美國俄亥俄州立大學的研究人員發現了一種新型的小質量黑洞,填補了宇宙中已知中子星與黑洞之間存在的質量空白,將已觀測黑洞質量的下限降低了約三分之一。該研究日前發表在《科學》雜誌上。

質量大小至關重要“上世紀三十年代,奧本海默等提出了‘奧本海默極限’,認為中子星的質量存在上限。”苟利軍說,“理論上,質量大於‘奧本海默極限’的中子星將會坍縮。”

“雙星系統”中看不見的那一位此次發現的最小黑洞來源於一個雙星系統。雙星系統,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。在雙星系統中,一個恆星依然可以受黑洞的引力吸引,繼續圍繞其旋轉。但是,由於黑洞的巨大引力,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系統運動規律的恆星,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質量。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。

黑洞的演化理論認為,中子星是恆星演化最後階段的形態之一,而質量過大的中子星並不穩定,將會坍縮形成黑洞。然而,此前確認的黑洞質量至少達5倍太陽質量,中子星質量則一般不超過2.1倍太陽質量。人們對質量位於中子星與黑洞之間——被稱為“質量間隙”的天體尚無確切瞭解。

湯普森說道:“我們可能確定了一個新型小質量黑洞。天體的質量非常重要,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。”

2017年,激光干涉引力波天文臺(LIGO)觀察到兩個質量分別為31倍太陽質量和25倍太陽質量的黑洞併合。LIGO發現比以往更大質量的黑洞合併事件,讓人不禁猜測,或許也有更小質量黑洞未被髮現。

那麼,人們為什麼要尋找小質量的黑洞?距離地球遙遠的黑洞,其質量是怎樣計算出來的?發現“小黑洞”對我們來說意味著什麼?

由此,研究人員從尋找雙星系統的角度出發,在10萬個恆星樣本中篩選出了200個值得關註的樣本。

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