中国科学家发现最大恒星级黑洞遭质疑，《自然》两文展开辩论

 
 
中国科学家发现最大恒星级黑洞遭质疑，《自然》两文展开辩论  
 

北京时间4月30日凌晨，世界顶尖学术期刊《自然》上发表的两篇文章上演隔空对话。辩论题目是：中国科学院国家天文台刘继峰团队去年宣布发现的最大恒星级黑洞质量达到70倍太阳质量，结论是否正确？

这两篇文章，一篇来自比利时鲁汶大学物理和天文系副教授乌格斯·萨那（Hugues Sana），题为《关于LB-1系统中70倍太阳质量黑洞的特征》；另一篇来自刘继峰团队，题为《回复关于LB-1系统中70倍太阳质量黑洞的特征》。

其实在这之前，已有几个国际团队提出质疑，认为刘继峰团队下结论使用的关键前提有误，LB-1黑洞的质量远没有这么大，甚至根本不是黑洞，而是一颗中子星或恒星。

刘继峰团队在回复文章中承认，实际情况比原先考虑的复杂，但新加进来的因素不足以推翻前提假设。目前，他们正从一个后来发现的简洁角度切入重新分析，初步结果与之前一致，可达到65倍太阳质量，依然是史上最大的恒星级黑洞。

他们也期待欧洲空间局的盖亚望远镜能给这场学术争论提供决定性的数据。

在了解双方的观点之前，我们不妨先回到讨论的起点：一颗被评价为“不可能存在”的黑洞。

“不可能”的黑洞

2019年11月28日，《自然》发布国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。该团队依托郭守敬望远镜（LAMOST），在LB-1系统中发现一颗大约70倍太阳质量的黑洞。

许多媒体报道时使用了“不可能”（impossible）来形容。刘继峰本人在最开始发现它时也表示“不敢相信”，觉得这样的黑洞在银河系中“不应该”存在。LB-1的艺术想象图 (喻京川绘)。

其实，有一类位于星系中心的超大质量黑洞，门槛就是几百万倍太阳质量。为什么LB-1黑洞才70倍太阳质量就不可能了？

原来，研究团队判断LB-1黑洞属于“恒星级黑洞”，是天体物理中最小的一类黑洞，质量通常在3倍至几百倍太阳之间，由恒星爆炸而形成。

一般而言，恒星中含有的金属丰度 越多，向外“刮”物质的星风就越强烈，大量质量提前流失。依此推论，大质量的恒星级黑洞只能形成于低金属丰度的环境中。以我们银河系的化学成分来看，不会出现超过30倍的恒星级黑洞。

此前，天文学家们在银河系中找到的恒星级黑洞，确实都在20倍太阳质量以下。

然而，这次发现的LB-1金属丰度与太阳近似（1.2倍），质量却接近太阳的70倍，显然是大大“超纲”了，直接挑战到现有的恒星演化理论。

正因如此，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）台长大卫•雷茨（David Reitze）当时给出了很高的评价：“这一非凡的成果，将与过去四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事件一起，推动黑洞天体物理研究的复兴。”

两个关键前提

刘继峰团队是如何找到LB-1的？

他们的工具是位于兴隆观测站的郭守敬望远镜（LAMOST），重点监测开普勒望远镜扫描过的一个天区，追踪其中的双星系统。

他们创新性地使用了“径向速度法”来寻找静默的黑洞。当天体靠近或远离观测方向，它的光谱会发生有规律的蓝移（频率变高）或红移（频率变低），就像救护车加速驶近时鸣笛声调变高，加速远离时声调又变低。

他们偶然发现有一颗光谱为B型的恒星很惹眼，恒星的特征吸收线随时间摆动，但同时又有一条近乎静止，且和B型星反相位运行的氢发射线。

这说明，它在绕着一个看不见的东西转动，而且那个天体质量很大，两者差异悬殊，导致恒星快速旋转，而看不见的家伙转动幅度很小。

根据刘继峰团队的计算，B型星质量约为8倍太阳，按比例计算，看不见的天体质量高达70倍太阳质量，只能是黑洞了。

从以上推演过程，我们发现要得出“70倍太阳质量”这个重磅结论，有两个关键前提：