为隐身的黑洞精确称重
--上海天文台提出天体测量新方法，将提供恒星级质量黑洞测定的新手段
一颗大质量恒星演化到生命晚期，经过超新星爆炸，剩余的残骸可能成为一颗恒星级质量黑洞。银河系中有几千亿颗恒星，理论上应该有上亿颗恒星级质量黑洞。然而，目前仅观测到20个左右，质量多在5倍到20倍太阳质量之间。
绝大多数已证认的恒星级质量黑洞或候选者多处于黑洞双星系统中，主要通过X射线爆发现象来寻找。然而用这种方法寻找存在一定的局限性，只能筛选出正在从伴星吸积物质进而释放X射线辐射的黑洞双星，无法筛选出物质交换很微弱（X射线波段隐身的）的黑洞双星系统，也就错失了很多这类恒星级质量黑洞。寻找更多隐身的恒星级质量黑洞，成为研究黑洞形成理论、恒星演化模型等领域的重要命题，而这些模型是天体物理研究的基石之一。
近日，由国家天文台刘继峰、张昊彤研究员领导的国际研究团队基于视向速度法，发现并证实了一颗70倍太阳质量的隐身黑洞，是迄今为止的质量最大的恒星级质量黑洞；它的伴星是一颗金属丰度与太阳相当、质量8倍于太阳质量的恒星，所组成的系统也是目前银河系中发现的间距最大的黑洞双星系统。目前该工作已在国际顶级科学期刊《自然》（Nature）发表。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，势必推动恒星演化和黑洞形成理论的革新。
图1. 黑洞伴星视向速度随周期相位的变化曲线，紫色实线为黑洞伴星的速度变化曲线，带误差棒的点是基于中国郭守敬望远镜（LAMOST）、西班牙加纳利大型望远镜（GTC）和美国凯克望远镜（Keck）观测的光谱数据解算出的速度。图片来源：Liu et al. 2019, Nature。
图2. 新发现的黑洞及其伴星的艺术想象图。（喻京川绘制）
这项工作是基于LAMOST（中国兴隆）、加纳利大望远镜（西班牙加纳利群岛）、凯克望远镜（美国夏威夷）和钱德拉X射线天文台（美国）的观测数据完成的。本研究共包括55位作者，来自中国、美国、西班牙、澳大利亚、意大利、波兰和荷兰7个国家29家单位。
LIGO天文台台长David Reitze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-Virgo探测到的双黑洞并合事件一起推动我们对黑洞天体物理研究的复兴。
确定这颗隐身黑洞的质量，就类似于根据月球的运动来测定地球的质量。黑洞在光学上不可见，但它的伴星是能够被光学望远镜观测到。由于黑洞和伴星之间的引力，伴星与黑洞是相互绕转的。在绕转轨道面与视线方向非垂直的情况下，在视线方向上伴星会周期性朝向和远离我们。这些信号在恒星光谱中呈现出来。
因此根据多次重复观测的恒星光谱，能较为高效便捷地发现恒星的视向速度的变化，结合恒星光谱中获取的恒星参数，可在一定量级上估算光学上不可见的那个天体的质量，但是难以精准测定其质量。如果要进一步不依赖模型地测定非可见天体质量，仍需要引入天体测量数据。
图3. 通过黑洞周围恒星的轨道运动测定黑洞质量的示意图。图片来源：NASA。
此项工作中，由齐朝祥研究员领导的中国科学院上海天文台天体测量团队参与了有关盖亚卫星发布的第二批星表数据（Gaia-DR2）及其误差解释分析的工作。Gaia卫星实现的天体测量最高精度已达10微角秒量级（1微角秒等于百万分之一角秒），为高精度测量恒星到我们的距离以及恒星所绕转的不可见天体的质量提供了必要的测量数据支撑。由于文章投稿至《自然》之前和审稿期间，Gaia原始观测数据点位很少，黑洞质量解算精度比较差，最终大家决定先不在此篇文章中呈现天体测量数据的独立解算结果。
“但在这篇论文投稿后，我们多次迭代升级数据处理方案，并积累了更多Gaia高精度观测数据，廖石龙花费大量精力编制出了一套非常复杂的软件系统，并计算了双星系统中恒星的轨道参数，独立解算出了这个黑洞质量。目前，相关结果正由欧空局Gaia科学委员会审议，通过后，将向外界公布基于天测数据测定的黑洞质量结果，为黑洞研究锦上添花。”上海天文台天体测量团队负责人齐朝祥研究员说。
图4. 欧空局Gaia卫星的示意图，在其遮阳帆布上方其有两个夹角为106.5度的指向镜，这种设计独特设计可用来绝对测量不同天区天体间的角距离及其变化。随着卫星自身转动和绕太阳运动，最终基于多年观测数据可解算出这些天体的高精度天体测量参数（赤经、赤纬、绝对视差、自行和轨道运动）。图片来源：ESA。
