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南半球冬季夜空中头顶的望远镜座HR 6819恒星系统 藏着距离地球最近的黑洞

这张艺术家想象图描绘出HR 6819三体系统中的天体运行轨道。 这个系统的内侧有一颗恒星(轨道以蓝色显示)和一个最近才发现的黑洞(轨道以红色显示),外侧还有第三

这张艺术家想象图描绘出HR 6819三体系统中的天体运行轨道。 这个系统的内侧有一颗恒星(轨道以蓝色显示)和一个最近才发现的黑洞(轨道以红色显示),外侧还有第三颗轨道较远的恒星(轨道亦以蓝色显示)。 ILLUSTRATION BY ESO/L. CALÇADA

在这张由数字巡天2计划(Digitized Sky Survey 2)所拍摄的广视野影像中央,可以看到HR 6819恒星系统。 这两颗恒星的距离极为接近,看起来

在这张由数字巡天2计划(Digitized Sky Survey 2)所拍摄的广视野影像中央,可以看到HR 6819恒星系统。 这两颗恒星的距离极为接近,看起来似乎合而为一。 这个三体系统里,隐藏着迄今发现距离地球最近的黑洞。 IMAGE BY ESO/DIGITIZED SKY SURVEY 2. ACKNOWLEDGEMENT: DAVIDE DE MARTIN

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):距离地球最近黑洞,原来就藏身这里!这个大质量天体就藏身在肉眼可见的恒星系统之内。

南半球冬季的夜空中,头顶的望远镜座(Telescopium)中有颗蓝色光点闪烁不已。 夜空中的这个小点看上去像是颗明亮的恒星,但其实是两颗近距离互绕的恒星──再加上另一个目前已知距离地球最近的黑洞。

这个新发现的黑洞位于HR 6819恒星系统内,距离我们的太阳系约有1011光年远。 根据5月5日出版的《天文与天文物理学》(Astronomy & Astrophysics)期刊指出,这个不可见天体与另外两颗可见恒星的轨道相同。 科学家估计这个黑洞的质量约为太阳的4倍,比之前发现距离我们最近的黑洞还要近了约2500光年。

美国加州大学伯克莱分校的博士生卡里姆. 巴德里(Kareem El-Badry)表示:「它似乎就藏身在众目睽睽之下,」他的专长是双星系统,但并未参与该研究。 他说:「这个恒星系统的亮度够亮,因此科学家从1980年代就开始研究它了,但看起来它似乎还隐藏了一些惊喜等着我们。 」

以人类的尺度来看,1000光年的距离相当遥远。 如果把地球与太阳之间的距离缩短为头发的宽度,那么 HR 6819恒星系统就在大约6.4公里之外。 不过,从更大的尺度──直径超过10万光年的银河系──来看,HR 6819恒星系统的距离相当近,而且这也显示有许多黑洞散布在银河系之中。

这篇研究论文的第一作者──欧洲南方天文台(European Southern Observatory,简称ESO)的天文学家汤玛士. 里维纽斯(Thomas Rivinius)表示,如果你发现了一个距离非常近的黑洞,而且你又觉得自己并不特别,那就表示一定到处都有黑洞存在。 」

与恒星一同打转的黑洞

黑洞是一种非常致密的天体,它的重力场十分强大,甚至连光线都无法逃脱。 天文学家一直都估计有好几亿个黑洞存在银河系之中,但是要找到这些黑暗的天体却极为困难。 科学家发现银河系里有几十个黑洞在吞食附近的气体团块,这些物质绕着黑洞边缘打转时会释放出X射线。 但是,银河系里的大多数黑洞是看不见的。 因此,要发现它们的唯一方法,就是观测周围天体的重力效应。

其实研究HR 6819恒星系统的天文学家一开始根本就没有要寻找黑洞,他们只是想深入了解这对彼此互绕运转的奇特恒星。

较外侧的恒星是颗Be星,它的质量比太阳还要大上几倍,温度更高,颜色也更蓝。 这颗恒星赤道的自转速度超过每秒482公里,比太阳赤道的自转速度还要快200多倍。 里维纽斯说:「它们的自转速度非常快,恒星上的物质差一点就要飞出去了。 」

将时间倒转回到2004年,当时天文学家利用智利拉西拉天文台(La Silla Observatory)2.2公尺口径的MPG/ESO望远镜,对HR 6819恒星系统进行了为期四个月的观测研究。 他们发现有些迹象显示这并不是个标准的双星系统,「正常的」的内侧恒星似乎以40.3天的周期绕着另一个天体运转,而较大的Be星以更远的轨道距离绕着内侧恒星与神秘的第三个天体运行。

五年后,欧洲南方天文台的斯坦. 斯特夫(Stan Štefl)率队重新审视这次的观测结果,其中就隐藏着黑洞藏身HR 6819恒星系统的线索。 但斯特夫于2014年不幸因车祸过世,让这项研究工作陷入停滞。

2019年11月,曾与斯特夫长期共事的Be星专家──里维纽斯找到了重新观测HR 6819的新理由。 另一个团队发表的研究宣称在LB-1恒星系统中发现了一个70倍太阳质量的黑洞,这个发现让人跌破眼镜。 根据物理学家对恒星质量级黑洞形成的认识,黑洞是由大质量星发生超新星爆发后所形成的——如果是这样的话,应该不可能有70倍太阳质量的黑洞形成。 当足以产生如此大质量黑洞的恒星死亡时,爆炸产生的残骸并不会往回掉落。

然而,里维纽斯的团队留意到, LB-1恒星系统的观测数据与HR 6819恒星系统极为相似。 因此他们开始描述HR 6819恒星系统中第三个谜样天体的特征。 根据对内侧恒星公转轨道及亮度的计算,他们发现这个不可见天体的质量起码是太阳的4.2倍──与银河系内其他已知黑洞的质量差不多。

看不见的目标

这篇研究论文的共同作者──欧洲南方天文台的荣誉科学家迪特里希. 巴德(Dietrich Baade)认为,如果这个天体的质量约为太阳的四倍,那它就不可能是颗普通的恒星,因为那么大的恒星会非常容易探测到。 此外,这个天体的质量也太大,不可能是颗中子星(由某些超新星爆发后留下的恒星核心)。

只有一种天体能解释这个计算结果:黑洞。

但巴德里表示,所有对像HR 6819这类包含多个近距离天体恒星系统的研究,都得要应付一些潜在的误差来源。 HR 6819外侧的Be星和内侧恒星之间的距离太近了,无法使用任何的光学望远镜将它们解析开来。 只有藉由这两颗恒星所发射出的不同光谱,才能分辨出它们。
有时候,较老恒星外层的氢「剥离」后,会与更年轻、质量更大的恒星看起来很类似。 如果HR 6819系统的内侧恒星就是这种状况,那么研究人员就得重新计算这个假想黑洞的质量。

在後續的研究中,論文共同作者彼得. 哈德拉瓦(Petr Hadrava)带领研究者努力「解开」HR 6819系统发出的光线,厘清这两颗恒星的准确光谱,以确定它们的特性。 巴德里补充道,欧洲太空总署(ESA)的盖亚(Gaia)太空望远镜正在以前所未有的精度观测银河系,这可以提供有关HR 6819系统内天体公转轨道的更多细节。 由于这个恒星系统与我们的距离非常近,天文学家可以利用一种称为干涉法(interferometry)的技术,结合许多望远镜的观测资料,来精确地分辨出这两颗恒星。 先前科学家也是用这种技术,以望远镜网络拍摄超大质量黑洞的轮廓。

「通常,如果在黑洞周围有颗恒星时,我们其实看不到恒星绕着黑洞运转,」这篇论文的共同作者──欧洲南方天文台的博士后研究员玛莉安. 海达(Marianne Heida)表示,「但这个系统与我们的距离这么近,我们应该能够看到它的运动...... 这代表如果一切顺利,我们就能更精确地掌握黑洞的质量。 」

研究人员正在规划接下来该如何继续进行研究,它们也将这份荣耀归给斯坦. 斯特夫,因为他是一开始推动发现这个黑洞的主要力量。 「斯坦非常小心谨慎,」里维纽斯微笑着说,「他可能现在就在看着我,然后问我:你真的确定吗? 」




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