黑洞是自然界最令人敬畏和神秘的力量之一。同時，它們對于我們了解天體物理學(xué)至關(guān)重要。黑洞不僅是特別龐大的恒星在其生命周期結(jié)束時會產(chǎn)生超新星的結(jié)果，它們還是我們對廣義相對論的理解的關(guān)鍵，并且被認為在宇宙演化中發(fā)揮了作用。

這項研究確定了藝術(shù)家對黑洞天體物理學(xué)家的渲染。在一個紅色巨星附近可以看到黑洞(左下)。該發(fā)現(xiàn)表明，可能存在一整類天文學(xué)家不知道的黑洞。

因此，多年來，天文學(xué)家一直在努力在銀河系中創(chuàng)建黑洞普查。但是，新的研究表明，天文學(xué)家可能已經(jīng)忽略了整個類別的黑洞。這來自最近的發(fā)現(xiàn)，在該發(fā)現(xiàn)中，一組天文學(xué)家觀察到一個黑洞，該黑洞剛好超過三個太陽質(zhì)量，使其成為迄今為止發(fā)現(xiàn)的最小黑洞。

這項名為“非相互作用的低質(zhì)量黑洞-巨星雙星系統(tǒng)”的研究最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。負責(zé)團隊由俄亥俄州立大學(xué)的天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)，成員包括哈佛-史密森天體物理學(xué)中心，卡內(nèi)基科學(xué)研究院天文臺，黑暗宇宙學(xué)中心以及多家天文臺和大學(xué)。

這一發(fā)現(xiàn)特別值得注意，因為它確定了天體物理學(xué)家以前不知道的物體。結(jié)果，科學(xué)家現(xiàn)在被迫重新考慮他們對我們銀河系中黑洞數(shù)量的了解。正如托德·湯普森，教授天文俄亥俄州立大學(xué)和研究的主要作者，解釋說：

“我們正在顯示這一暗示，那就是我們還沒有真正探索尋找黑洞的人口。人們試圖了解超新星爆炸，超大質(zhì)量黑星爆炸，超大質(zhì)量恒星中元素的形成方式。因此，如果我們能揭示出新的黑洞群，它將告訴我們更多有關(guān)哪些恒星爆炸，哪些恒星不爆炸，哪些黑洞，哪些中子星爆炸的信息。它開辟了一個新的研究領(lǐng)域。”

由于他們對時空的影響，天文學(xué)家一直在尋找黑洞和中子星。由于它們也是恒星死亡時產(chǎn)生的結(jié)果，因此它們還可以提供有關(guān)恒星生命周期以及元素形成方式的信息。為了做到這一點，天文學(xué)家首先需要確定我們銀河系中黑洞的位置，這要求他們知道尋找什么。

找到它們的一種方法是尋找雙星系統(tǒng)，其中兩顆恒星由于它們的相互引力而彼此鎖定在軌道上。當其中一顆恒星死亡時，它產(chǎn)生的強烈引力將開始將物質(zhì)從另一顆恒星中拉出。恒星物質(zhì)發(fā)射出的熱量和X射線被吸積到黑洞伴星上，從而證明了這一點。

到現(xiàn)在為止，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們銀河系中的所有黑洞都在5至15個太陽質(zhì)量之間。相比之下，中子星通常不大于約2.1太陽質(zhì)量，因為大于2.5太陽質(zhì)量的任何東西都會坍塌而形成黑洞。當LIGO和處女座共同檢測到由黑洞合并引起的引力波時，它們分別是31和25個太陽質(zhì)量。

這表明黑洞可能出現(xiàn)在天文學(xué)家認為是正常范圍之外。正如湯普森所說：

“立即，每個人都像'哇'，因為它是如此壯觀。不僅是因為它證明了LIGO的確有用，而且還因為群眾眾多。如此大的黑洞很大，我們以前從未見過。”

這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了湯普森和他的同事們?nèi)ニ伎荚谧畲蟮闹凶有呛妥钚〉暮诙粗g可能存在未被發(fā)現(xiàn)的物體的可能性。為了對此進行研究，他們開始合并來自Apache Point天文臺銀河演化實驗(APOGEE)的數(shù)據(jù)，這是一項天文學(xué)調(diào)查，收集了整個銀河系中約100,000個恒星的光譜。

湯普森和他的同事檢查了這個光譜是否有變化的跡象，這些變化表明了恒星是否可能繞著另一個物體旋轉(zhuǎn)。具體來說，如果一顆恒星顯示出多普勒頻移的跡象-它的光譜在向藍色端轉(zhuǎn)變?nèi)缓笤傧蚣t色波長轉(zhuǎn)變之間交替變化-這將表明它可能正在繞著看不見的同伴運行。

這種方法是確定恒星是否具有行星軌道系統(tǒng)的最有效和最受歡迎的方法之一。當行星繞著恒星運行時，它們在其上施加引力，使它來回運動。湯普森和他的同事們使用了相同的這種移位來確定是否有任何APOGEE恒星正在繞黑洞運行。

首先是湯普森(Thompson)將APOGEE數(shù)據(jù)縮小到200個最有趣的候選者。然后，他將數(shù)據(jù)提供給了Tharindu Jayasinghe(俄亥俄州立大學(xué)的研究生研究助理)，然后他使用了OSU運行的全天候超新星自動調(diào)查(ASAS-SN)中的數(shù)據(jù)，該調(diào)查發(fā)現(xiàn)了1,000多個超新星，從而匯編了數(shù)千每個候選人的圖像。

這揭示了一顆巨大的紅色恒星，其運行軌道似乎比已知的黑洞小得多，但比已知的中子星大得多。將結(jié)果與來自Tillinghast反射器埃歇爾光譜儀(TRES)和蓋亞衛(wèi)星的其他數(shù)據(jù)相結(jié)合后，他們意識到他們發(fā)現(xiàn)了一個黑洞，其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的3.3倍。

這一結(jié)果不僅證實了一類新的低質(zhì)量黑洞的存在，而且為定位它們提供了新的方法。正如湯普森所說：

“我們在這里所做的是找到一種新的搜索黑洞的方法，但是我們也有可能確定了天文學(xué)家以前不知道的新型低質(zhì)量黑洞中的第一個。大量的事物告訴我們它們的形成和演化，也告訴我們它們的性質(zhì)。”