文/丁傲西

2019年11月28日，世界顶尖科学杂志《自然》发布了一条令人震惊的消息：中国天文学家发现了史上最大质量的恒星级黑洞。这颗新发现的黑洞质量达到了70倍太阳质量，超过了理论估计值的两倍有余。这个大质量恒星级黑洞的发现，也意味着天文学家之前所依据的黑洞理论存在重大缺陷，相关理论需要重新改写。

黑洞是怎么形成的？提到黑洞，相信很多人并不陌生。作为爱因斯坦广义相对论所推导出的天体，黑洞在很长一段时间只存在于数学公式中，没有人有能力发现它。一般认为，黑洞是恒星演化到末期的产物。一个超大质量的恒星在生命走向终结前，会以大爆炸的形式猛烈地向外喷洒物质，形成超新星现象。而剩余的物质如果依旧在10个太阳质量以上，那么这些物质就会在巨大的引力作用下坍缩为黑洞。由于引力实在过大，不仅黑洞自身发出的光和热无法逃逸，就连黑洞周围的星际物质也会被引力所拉扯，最终掉落进黑洞中。由于黑洞本身不发出光和热，单纯使用望远镜并不能看到黑洞本身。

如何“看到”黑洞？既不发光也不发热，黑洞当然无法被光学望远镜直接看到，但是这并不意味着黑洞无法被发现。在宇宙中，大部分恒星并不像太阳这样孤零零的存在。很多恒星往往成对甚至成群存在（学名叫双星和聚星），彼此之间通过引力相互吸引，互相环绕。假如双星系统中有一颗恒星演化成了黑洞，那么通过观测另一颗恒星发出的信号，我们就可以找到黑洞的蛛丝马迹。

一般来说，发现黑洞的方法主要有两种。当黑洞和恒星距离较近的时候，组成恒星的物质就会被黑洞拉扯，以环状的形式围绕黑洞运行（学名吸积盘）。由于物质落入黑洞的过程中速度急剧增加（重力势能转变为动能），物质之间快速摩擦就会产生巨大的能量。这些能量会沿着黑洞的磁场方向运动，最终从垂直于吸积盘的方向发射出来。通过观察这部分能量（主要是X射线），黑洞就可以被我们所“看到”。

如果黑洞和恒星之间的距离较远，观测的方法就有了很大的区别。由于距离较远，黑洞的引力不足以拉扯组成恒星的物质。没有了物质落入黑洞，自然也就不会有吸积盘的存在。此时如果从远处观察，黑洞和恒星的组合就像一颗普通的恒星（因为黑洞看不见）。如果没有特殊的工具和持续的观察，我们恐怕很难发现那些距离恒星较远的黑洞。

幸运的是，随着科技的进步，各种性能先进的天文观测设备被不断发明出来。以本次发现的大质量恒星级黑洞为例，使用的就是我国自主研制的郭守敬望远镜(LAMOST)。这个望远镜可以在指定的区域内自动监测3000多个天体，将发现的异常光谱记录下来。利用LAMOST的神奇能力，天文学家们成功发现了这颗黑洞的伴星。通过持续观察这颗恒星的运行轨迹，最终计算出黑洞的质量和准确位置。

史上最大质量恒星级黑洞意味着什么？发现史上最大质量恒星级黑洞固然可喜可贺，但是这个发现也让天文学家产生了新的困扰。黑洞根据其质量不同，分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100-10万倍太阳质量）以及超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上）三大类。理论上讲，只要有足够的物质可供吸收，质量较小的恒星级黑洞最终会如滚雪球一般成为超大质量黑洞。根据目前的观测，中等质量黑洞和超大质量黑洞往往存在于星系中间。那里星际物质丰富，可以为黑洞的发展壮大提供源源不断的物质支持。

然而本次发现的大质量恒星级黑洞，却颠覆了人们对黑洞的认知。理论上讲，如果要形成70倍太阳质量的黑洞，那么这个恒星在超新星爆炸前最少要有1000倍以上的太阳质量。我们知道，恒星诞生于星际物质当中。要想孕育出如此大质量的恒星，星际物质中的氢和氦必然要远多于太阳形成时的环境（氢和氦元素是恒星核聚变的重要原料）。然而经过观察，这颗大质量恒星级黑洞的伴星却和太阳差不多。同样的星际环境，不可能诞生出质量如此悬殊的双星组合。换句话说，这颗大质量黑洞可能并不是由一颗超大质量恒星爆炸产生。

那么这颗史上最大黑洞是如何形成的呢？目前我们有着这样几种猜测：

第一种猜想是这个双星组合原来可能是由多颗恒星组成的聚星，其中一颗大质量恒星演变成了黑洞，逐步吞噬了其他几颗距离较近的恒星。随着吞噬质量的增加，这个黑洞最终演变成了今天我们看到的样子。

第二种猜想是双黑洞合并理论，天文学家们猜测，这个大质量黑洞不是由一颗恒星坍缩形成的，而是由双黑洞并合而成。双黑洞加上距离较远的伴星，原本是一个三恒星组合。两个距离较近的恒星在变成黑洞后合为一体，最终演变成了现在观察到的大质量黑洞。

第三种猜想是之前的恒星演化理论存在错误，在氢氦元素较为丰富的星际环境下，完全可以同时诞生超大质量恒星和小质量的伴星。超大质量的恒星核聚变速度较快，在很短的时间内演变成了大质量黑洞。而小质量的伴星核聚变速度较慢，至今还维持着恒星的状态。正因为如此，我们才可以观察到这样一对特殊的双星组合。

第四种猜想是黑洞和这颗伴星本来并没有什么联系，是黑洞在运行过程中俘获了这颗恒星，使它绕着自己运转。这也可以解释为什么伴星和黑洞差距如此巨大，因为他们产生的环境本就不同。

总结：

宇宙中质量远大于太阳的恒星数不胜数，恒星级黑洞的数量也应该不在少数。此次中国天文学家发现大质量恒星级黑洞，为人们发现更多的恒星级黑洞打下了良好的基础。我们衷心希望，随着天文学家的不断努力，我们可以在黑洞的理论研究上更进一步。