恒星级黑洞

恒星质量黑洞

恒星级黑洞（英语：stellar black hole）是一种大质量恒星（大约20倍太阳质量，但其真实质量并未证实，而且也取决于其他变数）引力坍塌后所形成的黑洞，可以借由伽玛射线暴或超新星来发现它的踪迹，其质量是五至数十倍的太阳质量。已知质量最大的恒星黑洞是70倍太阳质量即LB-1。由中国天文学家利用郭守敬望远镜（LAMOST）发现，另外，也有证据证明IC 10、天鹅座X-1是一个拥有24至33倍太阳质量的恒星黑洞。

基本概念

黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，如同一个宇宙“吞噬之口”，连光也无法逃逸。

天文学家根据黑洞质量的不同，将黑洞大致分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100-10万倍太阳质量)和超大质量黑洞(10万倍太阳质量以上)。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”。一颗恒星演化到最后如果剩下的质量太多（大于3倍太阳质量），多到既不能形成白矮星，也不能成为中子星，一旦进入死亡阶段，就没有任何力量可以阻止这颗恒星在终极引力的作用下持续塌缩，最终形成致密的黑洞。球状星团和矮星系中心或许有中等质量的黑洞，而在星系的中心存在着超大质量黑洞，比如银河系中心就有一个约400万倍太阳质量的超大质量黑洞。

属性

根据广义相对论，可以存在任何质量的黑洞。质量越少，形成黑洞所需的密度就越高（史瓦西半径）。直至目前为止，还没有发现任何可以制造少于1个太阳质量的黑洞方法。但如果它们存在，它们极有可能是微黑洞。

恒星的引力坍缩是一个形成黑洞的自然过程。当恒星寿终正寝时，即所有能量耗尽后，引力坍缩是无可避免的事态。如果恒星的坍塌质量低于临界值时，将会生成白矮星或中子星的致密星。这些星体拥有极大的质量，所以，如果致密星的质量超过此临介值时，引力坍塌会继续，然后突变为重力坍塌，形成黑洞。虽然还没证实到中子星的最大质量，但估计也有3倍太阳质量。直至目前为止，质量最小的黑洞大约有3.8倍太阳质量。

另外，也有观察证据证明有两种质量比恒星黑洞更大的黑洞，它们是中介质量黑洞（位于球状星团的中心）和超大质量黑洞（位于银河系和活动星系核的中心）。

一个黑洞最多只能拥有以下三个特性：质量、电荷和角动量（旋转）。所有自然生成的黑洞都会旋转，但并没有确实观察旋转状况。恒星黑洞的旋转是因为恒星的角动量守恒而造成的。

X射线致密双星系统

当物质从黑洞的伴星转移至黑洞时，在双星系统中的黑洞是可以观测到的。掉落至致密伴星的质量释放出的能量非常巨大，这使得物质的温度升高至数亿度的温度。因此可以用X射线观察黑洞，而伴星可以用光学望远镜观测。从黑洞和中子星释放出来的能量有相同的数量级，使黑洞和中子星经常难以区分。

但是，中子星还有其他的特性。它们自转不同，并且有磁场和呈现局部的爆炸现象（热核爆炸）。每当观测到这些特性，就可以判断致密双星的伴星是中子星。

推导出的质量来自对致密X射线源的观测（结合X射线和可见光波段的数据），所有被辨认出为中子星的质量都在3-5倍的太阳质量，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的系统都未显露出中子星的特征。结合这些事实，致密伴星的质量在5倍太阳质量以上的很可能是黑洞。

值得注意的是，黑洞存在的证据不仅是从地球上观测到的，也来自理论：在如此的双星系统中，除了黑洞之外，没有任何天体可以做为这个致密天体的伴星。如果能直接观察到一个微粒（或气体云）坠落进入黑洞的轨道，就可以直接证明黑洞的存在。

观测发现

2010年1月，天文学家使用欧洲南方天文台甚大望远镜观测结果显示，关于星系中的恒星级黑洞的研究项目再次有了新发现。随着2007年公布的在M33星系内发现了一个具有15倍太阳质量的黑洞之后，这次发现的恒星级黑洞则将距离扩展到了600万光年。恒星级黑洞背后所蕴藏的奥秘越来越令人琢磨不透。

从2015年起，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）及欧洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波观测实验已经发现了几十倍太阳质量的黑洞，质量远高于先前已知的银河系里的恒星级黑洞。

北京时间2019年11月28日凌晨，国际科学期刊《自然》发布了中国科学院国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。依托我国自主研制的国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST），研究团队发现了一颗迄今为止质量最大的恒星级黑洞，并提供了一种利用LAMOST巡天优势寻找黑洞的新方法。这颗70倍太阳质量的黑洞远超理论预言的质量上限，颠覆了人们对恒星级黑洞形成的认知，有望推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。

2022年7月，科学家在与银河系相邻的大麦哲伦星云中发现了一个休眠的恒星质量黑洞。这一黑洞的质量至少是太阳质量的9倍，围绕着一颗质量为太阳质量25倍的炽热蓝色恒星运行。

研究成果

2010年1月最新公布的数据表明，这个远离地球600万光年的黑洞位于一个螺旋状星系内，即NGC300。谢菲尔德大学天文学教授称，它是我们迄今观测到的最远的恒星级黑洞，也是人类第一次在银河系周边范围之外发现这个级别的黑洞。

早在2007年，美国国家航空航天局使用X射线探测器对NGC300内部最强烈的X射线源进行了观测，这个研究项目要早于欧洲空间局XMM-牛顿X射线空间天文台的观测。

而来自欧空局的相关人员解释道：“我们将定期对强烈的X射线源进行记录，有迹象表明黑洞会隐藏在这个区域。”我们知道，由于物质在被黑洞吸积过程中，引力势能转化为物质的动能，在转化为热能，在离黑洞最近的吸积盘内区，X射线的辐射是最强的，所以通过对X射线辐射量的观测，可以得到一些黑洞的行为特性。

在对这个黑洞的观测中，天文学家发现它的伴星质量达到了20倍太阳质量，而且他们相互之间剧烈的旋转，就像绚丽的华尔兹，一个周期只有32个小时。同时，这颗伴星上的大量物质也被剥离，吸入黑洞，由此形成吸积盘。

以往在银河系内发现的恒星级黑洞质量达到10倍太阳质量，这个级别的黑洞的银河系外可能也只算个轻量级的。像一个黑洞和一个伴星组成的系统在以往的观测中被发现过，所以天文学家对这类的天体系统还是比较了解，基于这个天体系统，天文学家可以发现黑洞的物质与星系化学之间的关系，他们相信高浓度的重元素将影响一个大质量恒星的演化。

2019年11月28日，主导发现迄今为止最大质量的恒星级黑洞LB-1的中国科学院国家天文台刘继峰研究员介绍说，一般模型认为大质量恒星级黑洞主要形成于低金属丰度（低于1/5太阳金属丰度）环境中，LB-1却有一个与太阳金属丰度相近的B型星。目前恒星演化模型只允许在太阳金属丰度下形成最大为25倍太阳质量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。这可能意味着有关恒星演化形成黑洞的理论将被迫改写，或者以前某种黑洞形成机制被忽视。LIGO台长大卫.雷茨评论说，“在银河系内发现70倍太阳质量的黑洞，将迫使天文学家改写恒星级质量黑洞的形成模型。这一非凡的成果，将与过去四年里LIGO及Virgo探测到的双黑洞并合事件一起，推动黑洞天体物理研究的复兴”。

所获荣誉

2021年12月，入选中央广播电视总台2021国际十大科技新闻。

社会影响

2021年12月，中央广播电视总台发布2021年度国际十大科技新闻：中外科学家对首个恒星级黑洞做出精确测量。

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