“河北之眼”發現“黑洞之王”

2019-11-29 09:42:06  來源:河北新聞網  責編:董健雄

  

  11月28日淩晨,國際科學期刊《自然》發佈了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡(LAMOST),研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的甯P級黑洞,並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。

  發現被譽為“黑洞之王”的“功臣”——郭守敬望遠鏡,就被安放在國家天文臺興隆觀測站。

  這個巡天利器為什麼選擇安放在這裡?它又是憑藉怎樣的技術來顛覆人們對甯P級黑洞形成的認知呢?

“河北之眼”發現“黑洞之王”

  LB-1的藝術想象圖,中心黑色的點表示黑洞,周圍紅色的圓盤代表截斷的吸積盤,右下藍色天體是伴星B型星。 新華社發(喻京川繪)

  為什麼它能“看到”?

  在河北省內燕山主峰霧靈山南麓的連營寨,10個現代化的天文圓頂矗立於鬱鬱蔥蔥的山脊之上。這裡就是當今亞洲規模最大的光學天文觀測基地——中國科學院國家天文臺興隆觀測站。興隆觀測站目前共有50厘米以上的天文望遠鏡9架,其中,著名的郭守敬望遠鏡(LAMOST)就在這裡。

  LAMOST是國家重大科學工程之一,2010年4月被冠名為“郭守敬望遠鏡”。這是一架大視場兼備大口徑新型光學望遠鏡,它是目前我國最大的光學望遠鏡,其有效通光口徑達到4米,視場角直徑為5度。郭守敬望遠鏡的結構完全由我國的科學家獨創,地球上沒有第二架。

  郭守敬望遠鏡結構設計特殊,同時兼具大口徑和大視場兩個優點,大口徑意味著更多的進光量,大視場意味著可觀測的範圍更廣,可同時觀測的目標數量更高。

  郭守敬望遠鏡的焦面上安裝了4000根可以自由移動的光纖,也就是說一次觀測就能拍攝近4000個天體的光譜。直到今天郭守敬望遠鏡還是世界上光譜獲取效率最高的望遠鏡。

  它于2012年開始運行,至2015年上半年僅兩年半的時間,它獲取的光譜數量就已經超過了世界上其他望遠鏡之前拍攝所有光譜數量的總和。截止到2018年6月一期觀測結束,郭守敬望遠鏡總共獲取了超過900萬條光譜,而這個數字還將會隨著已經開始的二期觀測而繼續以驚人的速度增加。

  利用郭守敬望遠鏡龐大的光譜數量,天文學家們得以對銀河系進行“星口普查”。例如,天文學家利用郭守敬望遠鏡為銀河系重新畫像,兩次刷新了銀河系半徑大小,從原來的5萬光年擴大到了10萬光年,增加了一倍;還有最近利用郭守敬望遠鏡發現了人類已知的鋰含量最高的巨星,它的鋰含量是同類甯P的3000倍以上,堪稱“宇宙最大充電寶”;天文學家還通過郭守敬望遠鏡發現了萬餘顆來自宇宙早期的貧金屬星,它們如同宇宙的“化石”一樣記錄了宇宙早期的演化信息;郭守敬望遠鏡找到了一批超高速星,它們的速度快到甚至可以擺脫銀河系的引力。

  2016年秋季開始,研究團隊利用該望遠鏡開展雙星課題研究,歷時兩年監測了一個小天區內3000多顆甯P。結果發現,在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(LB-1)中,一顆8倍太陽質量的藍色甯P,圍繞一個“看不見的天體”做著週期性運動。不同尋常的光譜特徵表明,那個“看不見的天體”極有可能是一顆黑洞。

  研究人員隨即進行了“確認”:他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡,進一步確認了LB-1的光譜性質,計算出該黑洞的質量大約是太陽的70倍。

  劉繼峰表示,如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞,同樣的幾率下,則需要40年的時間——這充分體現出LAMOST超高的觀測效率。“LB-1的發現標誌著利用LAMOST巡天優勢搜尋黑洞新時代的到來”。

  據了解,2019年3月,郭守敬望遠鏡(LAMOST)公開發佈了1125萬條光譜,成為全球首個突破千萬的光譜巡天項目,被天文學家譽為全世界光譜獲取率最高的“光譜之王”。在此次黑洞發現過程中,郭守敬望遠鏡(LAMOST)共為這項研究做了26次觀測,累積曝光時間約40個小時。

  為了紀念LAMOST在發現這顆巨大甯P級黑洞上做出的貢獻,天文學家給這個包含黑洞的雙星系統命名為LB-1。

“河北之眼”發現“黑洞之王”

  郭守敬望遠鏡。新華社記者李響攝

  為何會建在興隆?

  和普通望遠鏡不同,科研用的天文望遠鏡更大、更重、精度更高,同時也很難移動。因此,建設天文望遠鏡之前,必須考慮一個重要的問題:建在哪兒?

  天文學家們需要前往全國各地人跡罕至之處(為了避開光污染),選擇晴夜數較多(有更多的時間可以觀測)、大氣寧靜度較好(拍攝的圖像質量會更好)的地點作為觀測站的站址。

  在選擇興隆之前,負責選址的科學家們在荒郊野嶺中尋覓了11年,這期間的苦累同經常出現的生命危險比不值一提。為了找到優良的天文臺址,當時動用了幾乎所有可能的手段,現在的興隆站站址,是歷經千辛萬苦才確定的。

  興隆觀測站大氣透明度好,且每年平均有240∼260個光譜觀測夜,其中包含100∼120個測光觀測夜,晴夜數多,具備優秀的天文觀測條件和完善的後勤保障設施。

  正是因為興隆這樣的優質地理位置,讓科學家們把郭守敬望遠鏡安放在此。

  興隆觀測基地隸屬於中國科學院國家天文臺和中國科學院光學天文重點實驗室,于1965年首次踏勘,1968年開始投入使用,經過近50年的建設,成為亞洲大陸規模最大的光學天文觀測基地。興隆縣隸屬於河北省承德市,在北京的東北方向,基地則位於興隆縣境內的燕山主峰南麓,平均海拔約900米,地理坐標為東經117°34′38″,北緯40°23′45″。

  興隆觀測基地目前口徑大於50厘米的望遠鏡共有9台,分別為:郭守敬望遠鏡(LAMOST)、2.16米天文望遠鏡、1.26米紅外望遠鏡、1米反光望遠鏡、60/90厘米施密特望遠鏡、85厘米反光望遠鏡、80厘米反光望遠鏡、60厘米反光望遠鏡、50厘米反光望遠鏡,具備完備的高、中、低色散光譜和高精度測光觀測設備,探測能力覆蓋光學波段和近紅外波段。

  除LAMOST已發佈了目前世界上最大的光譜數據庫外,每年有百餘人次的國內外天文學家利用2.16米等其他天文望遠鏡從事甯P、星系和太陽系內天體等多種天文觀測研究。基於基地2.16米天文望遠鏡等設備已獲得多項重要研究成果,包括國家自然科學二等獎一項,軍隊科技進步一等獎一項,多篇論文發表于NATURE等頂級學術期刊,多項成果入選年度十大天文科技進展,並在國際聯測中發揮著重要作用。

“河北之眼”發現“黑洞之王”

  LB-1和引力波併合事件、X射線方法發現的黑洞的質量分佈。 新華社發

  還會帶來哪些驚喜?

  郭守敬望遠鏡建成之後,一次次的觀測結果和技術成就,無一不給我們帶來驚喜。

  今年1月,望遠鏡觀測、研究宇宙誕生初期的歷史有了新進展:基於巡天獲取的數以百萬計的銀河系甯P光譜,形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表,這成為研究銀河系早期演化的寶貴資源。

  中科院國家天文臺趙剛研究團隊利用LAMOST開展了國際上最大規模的貧金屬星搜尋項目。該團隊李海寧等人利用LAMOST巡天數據挑選出一萬餘顆金屬含量不到太陽百分之一的貧金屬星候選體,形成了目前世界上最大的貧金屬星亮源表。表中80%以上的目標非常適合現有地面觀測設備進行高分辨率後續觀測。

  LAMOST貧金屬星項目是國際上目前效率最高的同類搜尋計劃,項目的實施為國內外天文界提供了前所未有的大樣本貧金屬星。基於這些樣本與Gaia衛星觀測結合形成的大數據,將為我們迎來甯P考古的新時代。

  今年3月28日,LAMOST望遠鏡第6年光譜觀測任務已圓滿結束,經過9個月的數據處理及質量分析,包含先導巡天及前6年正式巡天的LAMOST-DR6數據集也于當月27日正式對中國國內天文學家和國際合作者發佈。

  中科院國家天文臺指出,LAMOST-DR6光譜集成為目前世界上天區覆蓋最完備、巡天體積和採樣密度最大、統計一致性最好、樣本數量最多的天文數據集,這是中國天文基礎數據庫第一筆大規模的寶貴儲備,將為研究銀河系及一般星系的形成與演化提供強有力的基礎性數據。

  銀河系有很多伴星系,如位於銀盤下方的大小麥哲倫星系,就像地球的引力牽著月亮轉一樣,銀河系也牽著這些星系轉動。但是,此前科學家們都未能對其進行具體描繪。

  今年7月,來自中科院天文大科學研究中心特聘青年研究員、上海天文臺博士後李靜,中科院國家天文臺研究員劉超等人利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)第一次描繪出了銀河系的一個伴星系——人馬座矮星系的星流(下稱人馬座星流)的三維空間軌道分佈,該項研究成果已經發表在《天體物理學報》雜誌上。

  11月14日,雲南天文臺雙星與變星研究團組研究人員利用郭守敬望遠鏡(LAMOST)光譜巡天數據和美國開普勒測光巡天數據,給出了目前為止最大的具有豐富參數的雙星物理參量星表,獲得了1320顆雙星的物理參數,為理解銀河系內雙星的整體性質,探討雙星的起源和演化提供了重要的觀測基礎。

  對天文觀測而言,“光譜千萬條,研究第一條”。

  目前,中國、美國、德國、比利時、丹麥等國家和地區的124所科研機構和大學的769位用戶,正在利用LAMOST巡天數據開展研究工作,並已在銀河系結構與演化、甯P物理研究、特殊天體搜尋等重要前沿領域取得一系列有影響力的研究成果。迄今共發表438篇有顯示度的SCI科研成果,引用4200余次。

  中科院國家天文臺表示,隨著LAMOST光譜巡天的繼續開展及光譜數據的持續公開發佈,更多天文學家將利用LAMOST光譜數據在各個天文領域開展不同尺度的研究,產生更多科研成果,進而推動人類進一步認識宇宙。

  依託既有資源,興隆縣有關方面則表示,該縣正與中科院國家天文臺興隆觀測站等方面合作,正佈局相關項目,發展星空科普產業。(文/記者趙澤眾綜合央視新聞、光明日報、科技日報等媒體報道)

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