同样是发现恒星级黑洞,中国用的望远镜有什么不同?科技袁人Lite答案特别节目

  
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导读
本期科技袁人:介绍中国发现的质量最大的恒星级黑洞。
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这一周的科技袁人LITE,我们请来了另外一位来自中科大天文系的“袁老师”——袁业飞老师。今天袁老师就来和大家说说最近中国天文学家发现一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞。不过小猿最感兴趣的还是袁老师在视频里面介绍的郭守敬望远镜(LAMOST)。据说它是“光谱之王”,就是它发现了这个质量最大的恒星级黑洞。话不多说,大家看完就明白了。


想补“黑洞”相关课程的同学们,可以去看看我们这期节目:参与了首张黑洞照片拍摄的中国科学家,怎么解读这张照片?| 科技袁人plus


视频链接:


部分评论:


某科学の覇王:

后期在郭守敬望远镜视频资料上P的一堆大大的“贵”字很精髓


竹林晚箫:

袁老师说过,中国科技研发投入的加大,未来几十年将持续增加科技产出,早晚有一天,诺贝尔奖会爆发式的在中国出现


精彩呈现:


袁岚峰:大家好,我正在观视频《答案》年终秀的现场,准备明天(2019年12月7日)的演讲,明天欢迎大家收看直播。这个星期的《科技袁人Lite》,我就请到了我的同事、科大天文系的袁业飞教授,来向我们讲解最近的中国科学院国家天文台发现的重要成果,发现了宇宙当中最大的恒星级质量的黑洞。

导演:袁老师,我们要上场了~

袁岚峰:啊,好好,马上就来,马上就来~

袁业飞:《科技袁人》的观众朋友们好,我是中科大天文系的袁业飞老师。很高兴再次见到大家。

科大同学(阿帅):欢迎袁老师,我们知道您是研究黑洞的,还参与拍摄了黑洞的第一张照片。最近黑洞又出了大新闻。我国天文学家,用我们自己的望远镜,观测到了目前最大的恒星级黑洞,颠覆了过去的恒星演化模型。

袁业飞:是的,我看到这个消息也很激动。先在这里祝贺一下中国科学院国家天文台刘继峰教授的研究团队和张昊彤研究员的研究团队,以及一起参与观测的国内外天文学家。这里我还要特别祝贺为LAMOST-郭守敬望远镜做出贡献的所有科研人员。

阿帅:对这个超大黑洞,观众有好多问题想向您请教。

袁业飞:乐意回答,请问吧。

阿帅:袁老师请听题,新闻里说,这是一个“70倍太阳质量的恒星级黑洞”,“远超理论预言的质量上限”。什么叫恒星级黑洞?除了这类黑洞,还有哪些黑洞?


袁业飞:目前发现的宇宙中的黑洞分为两大类,一类是与恒星质量相当的所谓的恒星级黑洞,它们的质量一般在10-15倍太阳质量之间。另一类是在星系中心的质量在1百万到100亿太阳质量的超大质量黑洞。恒星级黑洞一般起源于大质量恒星的晚期,是恒星死亡之后的遗骸。这里恒星死亡的意思是,恒星核区的核燃料消耗殆尽,热核反应停止。

例如,太阳的年龄约为46亿年。大约50亿年后,太阳核区的氢将几乎耗尽,核区就会塌缩,变成一颗白矮星。太阳外层会膨胀,并将大部分外层大气抛射到宇宙空间中去。星系中心的超大质量黑洞是通过种子黑洞在宇宙年龄这么长的时间内不断吸积气体,甚至通过与其他的黑洞并合而不断长大的。


阿帅:第二题,袁老师,请问:我们过去已经发现了20多个恒星级黑洞。这个比它们都大,为什么这么迟才发现?是方法上有什么突破吗?

袁业飞:之前发现的20多个恒星级黑洞是通过X射线卫星探测到的。在这类X射线双星系统中,有一颗恒星离黑洞很近,给黑洞供给气体,黑洞吸积这次气体就释放能量,发射X射线光。这次发现的黑洞也在一个双星系统里,但是,恒星与黑洞之间的距离比较远,与地球到太阳的距离相当,恒星不能给黑洞供给大量气体发X射线光。因此,我们是无法通过X射线卫星探测到这样的系统的。


这次的探测是通过光学观测进行的,类似于今年获得诺贝奖的工作—系外行星的探测,是通过测量围绕黑洞公转的恒星的视向速度发现的。普通的望远镜一般一次只能监测一两颗恒星的光谱变化,而我们事先并不知道哪颗恒星周围有黑洞。因此用普通的望远镜做光谱观测,很难探测到黑洞。而我国建造的郭守敬望远镜,是光谱之王,它一次能同时监测4千个天体的光谱!大大提高了通过视向速度法发现黑洞的概率。光谱观测类似将太阳光经过三棱镜,变成五颜六色,即将各种频率的光分开。光谱观测的优点就是,我们可以测量星光中的一些原子、分子谱线。根据光谱分析,可以获取宇宙天体中的化学成分、温度、气体运动等定量化的信息。在本次观测中,我们就是通过测量恒星吸收谱线的红移和蓝移,测量恒星围绕黑洞的周期性运动速度。


阿帅:新闻里提到,它“颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知”,那么我们原先对恒星级黑洞形成是怎么解释的?

袁业飞:恒星级黑洞一般起源于大质量恒星的晚期,是恒星死亡之后的遗骸。大恒星死亡的时候,外壳层大部分物质被抛射出去,观测上变现为超新星爆炸,核区小部分物质就塌缩为黑洞。历史上比较有名的一个超新星1054,即公元1054我国在宋朝观测到的超新星。目前遗留下来正在高速膨胀的蟹状星云和埋在星云中的一颗中子星—蟹状星云脉冲星。据估计,在银河系中,大概一百年发生三次超星爆炸,有些超新星被尘埃遮挡,能被我们观测到的超新星大概每一百只有一次。

另外一方面,即使恒星刚诞生的时候质量很大,由于质量大的恒星,它的光度也大,被吹出去物质也多,质量损失也厉害,等到它晚期核区塌缩的时候,质量已经减少了一大半。因此,即使恒星的质量很大,它最终形成的黑洞的质量也不会很大。

另外,根据观测和理论,恒星的最大质量约为几百太阳质量,例如,目前人类观测到最大恒星质量约为315个太阳质量。总之,恒星级黑洞的质量一般在3-30太阳质量之间,不会太大。这次观测到70倍太阳质量的恒星级黑洞有点意外,根据目前的恒星结构和演化理论很难解释。文章中提到了一种可能猜测,它可能原来是一个三星系统,两个相互绕转的、约为30个太阳质量的黑洞,外加离得比较远的一颗恒星。最终两个黑洞合并成了现在那个70倍太阳质量的黑洞。

阿帅:袁老师,发现这个黑洞,对于中国天文研究者的意义是什么呢?

袁业飞:这次发现对中国天文研究者的最大意义是,天文学是一门以发现为主的学科。要想有国际显示度的重大发现,我们需要有类似郭守敬望远镜这样的大国重器。很高兴我们中国科学技术大学在郭守敬望远镜的项目立项、科学目标研究和关键技术攻关方面都做出了重大贡献!例如,我们天文系的褚耀泉教授曾任LAMOST工程指挥部成员、首席科学家、项目副总经理,张昊彤研究员就是我们天文系的本科生,也是褚耀泉教授的博士生。光纤定位技术是LAMOST望远镜的两个关键技术之一,这是由我校精密机械系的褚家如教授领导的团队研制成功的。这里插播一个小广告,欢迎报告中科大天文学系!


阿帅:您觉得,这一发现对于世界天文学界,会产生怎样的影响?

袁业飞:根据目前恒星结构和演化模型,只能形成最大质量约为25倍太阳质量的黑洞。这颗新发现黑洞的质量已经远超理论预期,对现有理论提出了巨大的挑战。这一发现必将“刺激”理论家去发现新的恒星级黑洞的形成理论,和观测天文学家去发现更多的大质量恒星级黑洞,大大推动黑洞天体物理的研究。

我的感慨是,天文学是一门以观测为主的基础学科,严重依赖大型观测设备,投入非常大,早些年因为我们国家经济比较落后,导致我们在天文学领域与国际差距还比较大。改革开放40多年来我国在经济上取得了巨大的成就,在天文设备的研制和建设上面投入越来越大,比如大家熟悉的“天眼”望远镜、郭守敬望远镜、“悟空”暗物质卫星、“慧眼”X射线卫星等。


随着这些大型天文设备的上线,中国天文学家会取得越来越多的重大成果,会出更多的大的新闻。以我们中科大天文系为例,过去我们老一辈的天体物理学家,主要从事理论研究,主要用的是笔和纸;中年的天文学家过去只要是利用国外望远镜的数据,开展天体物理的研究,主要用的是电脑;而现在我们的年轻天文学家开始利用我们国家自己望远镜的数据做研究,甚至现在青年的天文学家有机会参与建造我们自己的大型望远镜——WFST,中国科大与紫金山天文台共建的、耗资2亿人民币的2.5米宽视场巡天望远镜!


我相信中国的天文学家在未来的一二十年之内,会取得更多越来越重大的成果,到时候呢,我再来给《科技袁人》的观众介绍,期待下次再见!

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背景简介是“科技袁人Lite”视频节目答案特别节目的介绍,视频发布于2019年12月6日(https://www.bilibili.com/video/av78275520)。
责任编辑孙远


文章转载自微信公众号:风云之声

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