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作者：王松（中國科學院國家天文臺）
監(jiān)制：中國科普博覽
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黑洞，宇宙中最神秘的天體之一。
科幻小說中，它是“時空之門”；現(xiàn)實生活里，它是物理學家的理論試驗場，量子力學與廣義相對論在這里碰撞出激烈的火花；也是天文學家持續(xù)追蹤觀測的神秘存在，提供恒星演化、星系成長、引力波等的重要線索。
今年9月，中國科學院國家天文臺聯(lián)合國內(nèi)多家科研單位，基于國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）以及歐空局的Gaia衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用視向速度方法和天體測量方法，成功在雙星系統(tǒng)中“活捉”一顆位于質(zhì)量間隙的小質(zhì)量黑洞。這一黑洞的發(fā)現(xiàn)，不僅為已知的黑洞質(zhì)量范圍增加了一個新成員，更為雙星系統(tǒng)的演化提供了獨特而重要的見解。成果發(fā)表于《自然·天文》。
今天我們就來講一講這顆黑洞的故事。
現(xiàn)實觀測與理論推測不符，存在一個質(zhì)量間隙？
黑洞有一個巨大的家族。科學家將黑洞按照不同的質(zhì)量分為三類：恒星級黑洞（3倍-100倍太陽質(zhì)量）、超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬倍太陽質(zhì)量乃至更大）和中等質(zhì)量黑洞（介于兩者之間）。
其中，按照科學家們的現(xiàn)有理論，恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星（高于25—40倍太陽質(zhì)量，具體臨界值與恒星金屬豐度、自轉(zhuǎn)等有關）死亡形成的：當一顆恒星演化到最后剩下的質(zhì)量太多，即大于3倍太陽質(zhì)量，則既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恒星在引力的作用下持續(xù)坍縮，最終形成致密的黑洞。
由于在宇宙中，質(zhì)量小的恒星（如25倍太陽質(zhì)量）遠多于質(zhì)量大的恒星（如40倍太陽質(zhì)量），理論預計小質(zhì)量恒星級黑洞的數(shù)目也應遠多于大質(zhì)量恒星級黑洞的數(shù)目。
然而，現(xiàn)實的觀測卻并非如此。
近60年來，傳統(tǒng)X射線方法已經(jīng)證認并測量了20余顆恒星級黑洞的質(zhì)量，其質(zhì)量分布顯示為，缺少3-5倍太陽質(zhì)量的小黑洞。這一區(qū)間被稱為質(zhì)量間隙（圖1）。這與黑洞形成理論的預期——小質(zhì)量黑洞數(shù)量遠多于大質(zhì)量黑洞——差別巨大。
圖1：直方圖為觀測的中子星（NS）與黑洞（BH）的質(zhì)量分布
（圖片來源：根據(jù)Belczynski et al. (2012)改編）
質(zhì)量間隙是如何形成的？
質(zhì)量間隙可能是由超新星爆炸時的特殊機制造成的，比如該機制阻止了黑洞在這個質(zhì)量范圍內(nèi)的形成。
質(zhì)量間隙也可能是一種觀測上的選擇效應，比如含有小質(zhì)量黑洞的雙星系統(tǒng)在超新星爆炸時更容易被瓦解，因此更難被探測到，或者雙星中小質(zhì)量黑洞與伴星距離遠，不存在物質(zhì)傳輸，因此無法用X射線發(fā)現(xiàn)。
最近，激光干涉引力波天文臺（LIGO）的觀測揭示了在質(zhì)量間隙內(nèi)存在致密天體，如GW190425和GW230529，但小質(zhì)量黑洞是否可以存在于雙星系統(tǒng)中仍然是一個備受爭議的問題。
圖2： LIGO發(fā)現(xiàn)的GW190425和GW230529。
（圖片來源：S. Galaudage）
新發(fā)現(xiàn)的黑洞，我們?nèi)绾谓o它稱重？
此次在雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的這顆小質(zhì)量黑洞，則證實了小質(zhì)量黑洞確實可以存在于雙星系統(tǒng)中。不過，黑洞本身不發(fā)光，無法直接觀測。我們又是如何得知它的質(zhì)量的呢？
**我們的測量方法主要基于雙星的開普勒運動。**致密天體會吸引著伴星繞雙星質(zhì)心轉(zhuǎn)動，因而不但會產(chǎn)生視向速度周期性變化——光譜上顯示為譜線的藍移和紅移（圖3左圖），其在天球上的位置也會發(fā)生周期性變化（圖3右圖）。 
圖3 :
上圖：恒星朝向或遠離我們時，恒星光譜的向短波長方向移動（藍移）或向長波方向移動（紅移），可轉(zhuǎn)換為恒星在視線方向上的速度變化（一維運動）。
下圖：雙星運動導致亮星（可見星）在天球上的投影（二維運動）。
（圖片來源：ESA）
視向速度是一維運動，天體測量是二維運動。兩者結(jié)合，利用開普勒第三定律，可以求解雙星的三維運動，包括軌道周期、視向速度的振幅、軌道傾角等參數(shù)。再結(jié)合可見星的質(zhì)量，就可以求出黑洞的質(zhì)量。
我們的視向速度數(shù)據(jù)來自LAMOST的光譜觀測，而我們的天體測量數(shù)據(jù)來自Gaia望遠鏡的觀測。
這顆小黑洞位于雙星系統(tǒng)G3425中，其中可見星為一顆質(zhì)量約為2.7倍太陽質(zhì)量的紅巨星，而黑洞的質(zhì)量約為3.6倍太陽質(zhì)量（3.1到4.4倍太陽質(zhì)量之間）（圖4）。
圖4：G3425雙星想象圖，包含一顆可見的紅巨星和一顆不可見的小質(zhì)量恒星級黑洞（圖片來源：王松 繪）
擁有特殊的雙星軌道，它是如何演化形成的？
該雙星的演化路徑也不同尋常。
與其它的恒星級黑洞相比，G3425系統(tǒng)的軌道非常寬（周期約為880天），且接近正圓（橢率約為0）（圖5）。如此寬圓軌道的雙星，其形成機制對當前的理論雙星演化和超新星爆炸理論提出了挑戰(zhàn)：
挑戰(zhàn)一：與Gaia BH1和BH2的寬軌道相似，難以通過經(jīng)典的公共包層演化理論形成。G3425中黑洞的低質(zhì)量表明要扔掉大量物質(zhì)，需要經(jīng)過公共包層演化，然而共同包層演化一般會形成周期較短的軌道。數(shù)值模擬表明，必須采用較高的共同包層拋射效率，使得既有充分的物質(zhì)損失，又能及時拋掉公共包層，形成類似于G3425的寬軌道。
挑戰(zhàn)二：不同于Gaia BH1和BH2的橢圓軌道，G3425的圓軌道難以通過長期的軌道圓化過程形成。小黑洞的形成要扔掉大量物質(zhì)，這可能使得雙星系統(tǒng)解體或者產(chǎn)生很橢的軌道（即很高的離心率），而在宇宙年齡（即哈勃時標）內(nèi)，G3425雙星系統(tǒng)無法通過潮汐作用使得軌道變?yōu)閳A形。同理，若G3425是形成于黑洞對巨星的動力學捕獲，其軌道也無法在宇宙年齡內(nèi)變?yōu)閳A形。
圖5：
G3425與其它恒星級黑洞在質(zhì)量—軌道周期分布的比較。G3425的小黑洞位于圖中的右下方。
（圖片來源：根據(jù)參考文獻1改編）
還有其它關于形成的解釋嗎？
G3425起初可能是一個三星系統(tǒng)，觀測到的巨星位于最外層，內(nèi)雙星則包含兩顆大質(zhì)量恒星。現(xiàn)今的黑洞是內(nèi)雙星經(jīng)過長期演化后并合的結(jié)果。甚至，G3425的不可見天體可能仍然包含兩顆小質(zhì)量的致密天體。在這種情況下，它將是雙中子星或中子星與大質(zhì)量白矮星并合的候選體，這是很有意思的，未來可以通過引力波觀測來探測其并合事件。
數(shù)百個類似系統(tǒng)可能存在，此次發(fā)現(xiàn)僅僅是個開始
G3425的發(fā)現(xiàn)表明，視向速度和天體測量方法兩種方法的結(jié)合可以有效發(fā)現(xiàn)隱藏于雙星中的寧靜致密天體并精確測量致密天體的質(zhì)量。而此前所認為的“恒星級黑洞存在質(zhì)量間隙”可能是由于單一觀測方法造成的選擇效應。
G3425是從觀測了14.6億顆天體的Gaia DR3數(shù)據(jù)中選出來的，這僅覆蓋了銀河系恒星的1/100，表明在銀河系中可能存在數(shù)百個這樣的系統(tǒng)。
未來的光譜和天體測量觀測，尤其是即將發(fā)布的Gaia DR4，有助于發(fā)現(xiàn)多種類型的小質(zhì)量黑洞雙星族群，并為雙星系統(tǒng)的形成和演化、致密天體形成等提供深入的理解。
參考文獻：
1. Wang, S., Zhao, X., Feng, F. et al. A potential mass-gap black hole in a wide binary with a circular orbit. Nat Astron (2024).
