作为茫茫宇宙中最神秘的天体，“黑洞”继首张照片后又掀起了科学热潮。11月28日凌晨，《自然》杂志发布了我国科学家的重大发现：依托我国自主研制的郭守敬望远镜（又称LAMOST），成功“活捉”了一颗“黑洞之王”。

　　这颗在银河系内发现的黑洞位于一个双星系统中，距离我们约1.4万光年，质量约为太阳质量的70倍，远超目前天文学理论预言的恒星级黑洞质量上限，恒星演化理论或将因此改写。

　　不可置信！银河系“黑洞之王”

　　对于黑洞研究而言，2019年真是个丰收年。4月10日人类历史上第一张黑洞照片发布，神秘莫测的“黑洞”初露芳容。11月底，中国科学院国家天文台研究员刘继峰、张昊彤研究团队发现的银河系内的“黑洞冠军”，再次吸引地球人的注意。

　　茫茫星海，不发光的黑洞为何让人们如此着迷？黑洞质量意味着什么？那要从黑洞的“前世今生”说起。

　　南京大学天文与空间科学学院院长李向东介绍，黑洞并不是一个“洞”，最初其实是一颗衰老的巨大恒星。

　　恒星也有“生老病死”。以同是恒星的太阳为例，“如果我们有一把足够大的手术刀去剖开太阳，会发现太阳核心正在发生热核聚变反应，氢原子核不断聚变为更重的氦原子核，未来氦原子核会聚变为碳原子核，以此类推。当恒星内部的核聚变反应停止时，恒星就走向死亡了。”李向东说，当然，太阳不会变成“黑洞”，它的结局是收缩成一颗白矮星，这其中根本的原因就在于它的质量还不够大。

　　当一颗质量大于大约20倍太阳质量的恒星内部生成铁元素的时候，恒星内核开始引力坍塌。没有任何力量能够阻止这颗恒星的核坍缩成一个体积接近无限小、密度超大的点，即“奇点”。奇点强大的引力场扭曲了周围的时空，连光也无法逃逸。至此，黑洞就诞生了。

　　根据质量的不同，黑洞一般分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100倍-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（100万倍太阳质量以上）。这其中，恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的，是宇宙中广泛存在的“居民”。

　　那么此次发现的最大恒星级黑洞的特别之处在哪？为何会让研究者大呼“不敢相信”？

　　因为恒星中含有的金属元素越多，向外“刮”物质的星风就越强烈，大量质量就会提前流失，恒星的核就无法长得更大。因此现有的恒星演化理论认定，在高金属丰度环境中只能形成最大为25倍太阳质量的黑洞。过去天文学家们在银河系中找到的恒星级黑洞，都在20倍太阳质量以下。李向东告诉记者，对这个黑洞的伴星的观测发现它的金属丰度比较高，因此质量接近太阳70倍的黑洞，确实是大大“超标”了。

　　“静默的黑洞”：不依托X射线直接捕捉的新方法

　　一个10倍于太阳质量的恒星，要是坍缩成黑洞，只有直径30千米大小。而黑洞本身不发光，天文学家又如何在茫茫宇宙中寻找到它们呢?

　　目前有两种方法可“迂回”地找到黑洞。一种是利用引力波探测，聆听时空的涟漪，进而推知黑洞并合事件，但该方法只适用于两个密近的、相互绕转的黑洞。

　　另一种是X射线辐射法。过去50年，科学家用该方法找到了约20颗恒星质量黑洞。李向东介绍说，如果黑洞与一颗正常恒星组成一个“一黑一亮”的双星系统，黑洞通过它的巨大引力，会捕获旁边这颗恒星上的气体物质，在黑洞周围形成一个吸积盘，从而发出明亮的X射线光。“黑洞”周边的X射线光，就是天文学家感知和判断黑洞存在的有力线索。

　　但是，在黑洞双星系统中，能够发出X射线辐射的只占一小部分。当黑洞和它的伴星距离较远时，往往是不发光的。对于这些“宁静”的黑洞如何来搜寻呢？

　　刘继峰、张昊彤领导的研究团队使用的是一种称为“径向速度”的探测法。径向速度法本身并不新，南大天文与空间科学学院副教授谢基伟说，今年获得诺贝尔物理学奖的系外行星研究，就是通过径向速度法发现的。当天体在做轨道运动时靠近或远离观测者时，它发出的光谱会发生有规律的蓝移（频率变高）或红移（频率变低）。

　　打个比方，“径向速度”探测法像救护车驶近时鸣笛声调变高，远离时声调又变低。但用于黑洞探测，尚属首次。此次LAMOST就是通过监测恒星的轨道运动来搜寻黑洞的。

　　从2016年秋季开始，研究团队开始利用LAMOST监测银河系内一个小天区的3000多颗恒星，跟踪它们的光谱变化。结果发现，在一个X射线辐射非常宁静的双星系统（简称LB-1）中，一颗有8倍太阳质量的蓝色恒星，围绕一个“看不见的天体”做着周期性运动。它光谱中一条近乎静止且运行方向和恒星本身反相位的Hα发射线成为科学家的新线索，并通过西班牙和美国的望远镜观测进一步确认了LB-1的光谱性质，天文学家最终证实这个看不见的天体是一个黑洞。

　　刘继峰说：“这个黑洞从未在任何X射线观测中被探测到，它的X射线辐射非常宁静，所以，我们为天文界提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。”

　　“一眼千星”，光谱之王助力“黑洞猎手”

　　在新闻发布会上，李向东向记者强调：“此次研究成果的获得，LAMOST功不可没，这是我们依托我国自主研发的天文设备进行的开创性研究，证明了它强大的光谱获取能力。”

　　LAMOST被天文学家誉为全世界光谱获取率最高的“光谱之王”。国家天文台高级工程师白仲瑞介绍，LAMOST拥有4000颗“眼睛”即光纤，一次能观测近4000个天体，每根光纤都可以对应天上的一个天体，可谓“一眼千星”。

　　LAMOST大样本的优势，甚至可以给银河系“重新画像”。在本次研究中，历时两年多的监测里，LAMOST共为这项研究做了26次观测，累积曝光时间约40个小时。刘继峰表示，如果利用一架普通四米口径望远镜来寻找这样一颗黑洞，在同样的概率下，估计需要40年的时间——这充分体现出LAMOST超高的观测效率。

　　这颗迄今为止最大质量的恒星级黑洞，也标志着利用LAMOST巡天优势搜寻黑洞新时代的到来。就在揭晓“最大质量恒星级黑洞”之后，国家天文台研究团队透露将启动实施“黑洞猎手”计划，通过LAMOST监测其他四个天区，将径向速度监测和天测数据结合，批量发现黑洞并测量黑洞质量，预计5年内发现并测量近百个黑洞，这将5倍于银河系中的已知黑洞数目。

　　发现更多“深藏不露”的黑洞，其意义何在？李向东告诉记者，关于黑洞本身，我们对它的认识还没有达到非常深入的程度。“理论上银河系中恒星级的黑洞可能会有上亿个，而目前所有的样本加起来不过30多个，我们看到的只是黑洞族群中很小的一部分，不一定具有代表性。有了黑洞群像，才能寻找其演变的规律。其次，我们还要通过拍摄黑洞照片等手段，对单个黑洞的物理性质做更加细致的研究。”

　　记者了解到，尽管具有巡天优势，LAMOST只能得到关于光谱上相对“粗糙”的信息，更细致的进一步研究，还需要更大口径的望远镜去观测。未来中科院国家天文台、中科院上海天文台、南京大学、武汉大学、厦门大学等八个跨院校团队、二十多个单位将协同研究，解答黑洞研究的诸多问题。

　　“恒星结构与演化理论和宇宙大爆炸理论是天文学在20世纪最重大的两个成果。今天这个超级黑洞的发现，就好像是恒星结构演化理论大厦的墙壁上出现了一条裂缝。”李向东说，“未来我们有可能通过修修补补，使得大厦依然屹立不倒。但也有一种可能，大厦将彻底坍塌，天文学家将重起炉灶。因此，我们可能正在经历一个重大变革的时代。”

　　记者 杨频萍