国科大5位学生参与发现迄今最大恒星级黑洞

  • 文字/玉玲珑 视频/余玉婷 图/国家天文台 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2019-12-02
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  黑洞,这一神秘天体有着超强吸引力,任何物质乃至速度最快的光也无法从它身边逃离,当然也包括那些来自地球、热切探究宇宙的目光。纵然隔着以数万光年计的距离,一代代天文学家对黑洞的探寻,一如一颗颗伴星般绕着它不停运转。

  根据黑洞质量的不同,天文学家将黑洞大致分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。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”。理论预言,银河系中有上亿个恒星级黑洞。但是迄今为止,天文学家在银河系中仅发现了约20个恒星级黑洞,且质量均小于20个太阳质量。那,这些恒星级黑洞在哪儿?

我国天文学家利用LAMOST发现迄今最大的恒星级黑洞LB-1的艺术想象图喻京川绘(新华社发)

  经过近3年探索,中国科学院大学(简称“国科大”)天文学院教授、国家天文台研究员刘继峰带领团队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),发现了一个质量是太阳70倍的恒星级黑洞,这是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。这一研究成果于北京时间11月28日凌晨在国际顶尖科学期刊《自然》发布,共59位作者署名,其中包括5位国科大在读学生,分别为天文学院博士研究生崔开明、牛泽茜、王逸伦,2014级本科生郑传杰,2015级本科生牟枭勇(两名本科生目前均为国科大研究生)。

刘继峰

国际科学期刊《自然》发布了这一项重大发现

 

开创黑洞批量发现的新纪元

  探测黑洞的方法不止一种,比起近年来兴起的引力波实验,更常见的是通过识别黑洞吸积伴星气体所发出的X射线进行判断。这种X射线很亮,由黑洞吸积盘摩擦生热产生,类似于黑洞的“指示器”,在此之前,人类发现的约20个恒星级黑洞均有赖于此方法。

  但这种方法也有局限。“通过X射线来指示黑洞可能存在的位置,那意味着这个黑洞必须要有很近的伴星,这个条件不是那么容易满足的。整个银河系里大约仅有4000个这样的双星,而银河系中的中性氢会强烈吸收X射线,导致绝大多数X射线辐射在地球上都看不到。” 刘继峰说,这也是按照理论来讲小质量黑洞应该特别多但却找不着的原因。

刘继峰在新闻发布会现场

  因此,找到发现更多黑洞的新方法成了天文学界近年来研究的热点和难点。在尝试了多种方法却均以失败告终后,刘继峰想,“算了,我们‘回归初心’,不考虑距离远近,只要恒星有黑洞伴星,那么它就会存在绕转运动。因此,我们观测恒星,原以为是单星的,旁边可能就存在黑洞”。这种方法在上世纪六七十年代就有人提出,但从未有过成功实践——简单来说,那时的望远镜观测效率低。

  刘继峰研究团队所用的LAMOST,是我国自主研制、全世界光谱获取率最高的光谱望远镜。2016年秋季开始,研究团队利用LAMOST开展双星课题研究,对一个小天区内3000多颗恒星进行了历时两年半的长期监测,发现在一个X射线辐射宁静的双星系统(LB-1)中,一颗质量是太阳八倍的蓝色恒星(注:B型恒星)在绕着一个看不见的天体做周期性运动,其不同寻常的光谱特征表明那个看不见的天体极有可能是一个黑洞。随即,研究人员通过西班牙10.4米大加纳利望远镜和美国10米凯克望远镜进一步确认了LB-1的光谱性质,并计算出黑洞质量是太阳的70倍。

郭守敬望远镜(LAMOST)

  在这两年半的监测时间里,LAMOST共为这项研究做了26次观测,累积曝光时间约40个小时。如果利用一架普通四米望远镜专门来寻找这样一个黑洞,同样的几率下,则需要40年的时间。

  据刘继峰研究团队介绍,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。而这个新发现的黑洞的质量已经进入了现有恒星演化理论的“禁区”。接下来,利用LAMOST极高的观测效率,天文学家有望再发现一大批深藏不露的X射线“平静态”黑洞,开创黑洞批量发现的新纪元。

刘继峰介绍该项研究工作

  这也难怪美国激光干涉引力波天文台(LIGO)台长大卫•雷茨有如此评论,“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黑洞的形成模型。这一非凡的成果,将与过去四年里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)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”。

 

  国科大学生做了哪些工作?

  细心的人会发现,在这一由《自然》发布的科学成果中,有5位在读学生名列其中,且均来自国科大,包括国科大天体物理专业研一学生牟枭勇。借用《滕王阁序》中的一句话,他觉得,“童子何知,躬逢胜饯”。

牟枭勇,国科大2015级本科生,2019级硕士研究生

  参与这一研究项目之初,牟枭勇还是名大三本科生。在国科大“科教融合”的培养模式下,每位本科生不仅有科学家班主任,还有自己的学业导师。这些学业导师均来自于中国科学院北京地区各研究所工作一线,其中不乏众多两院院士、杰青、千人计划入选者等,学生可以根据自己的研究兴趣从中进行选择。对天文学感兴趣的牟枭勇便投入了刘继峰教授“门下”。

  也正因此,在大一、大二、大三的暑假,牟枭勇得以由刘继峰教授指导在国家天文台进行科研实践,并在组内学长学姐们的帮助下,学习利用Kepler太空望远镜的数据库处理和分析恒星的光变和光谱数据。而在Kepler太空望远镜的数据库里,刚好有此次研究中遇到的这颗B型恒星的数据,牟枭勇也就自然而然地参与到了这项研究中的相关数据分析内容。

郑传杰,国科大2014级本科生,2018级硕士研究生

  几乎与此同时,牟枭勇的学长、国科大2014级本科生郑传杰正在刘继峰教授的指导下进行本科毕业设计《热亚矮星时变特性的研究》,即结合各种卫星观测数据研究热亚矮星的统计性质,如恒星本身形成途径是双星起源/单星起源等。而识别这颗B型恒星的光谱,并排除它是热亚矮星的可能性,也是此次刘继峰团队研究的一小部分。所谓“近水楼台先得月”,加之刘继峰有意识地想在科研实战中锻炼学生,这一任务也就落在了郑传杰肩上。

  这对于已在这方面有所积累的郑传杰来说,并非十分困难的事。他在刘继峰教授的指导下,阅读了相关文献并学习相关数据的获取和处理。遇到不懂的也不必过于担心,在这里还有一支专职的科研团队,除了刘继峰教授,郑传杰等学生还可以向其他科研成员学习、请教自己在科研过程中需要的从阅读文献、收集数据,再到处理数据、分析方式等一系列知识。

  但难就难在,想要选择恰当、合适的方法来做出令人信服的结果,需要对不同方法进行尝试、对比。此外,如何获得一份这颗B型恒星的高分辨率光谱也是工作的最基础问题之一。这仅依靠LAMOST是不足够的,最终,研究团队通过西班牙10.4米大加纳利望远镜和美国10米凯克望远镜获取了它的高分辨率光谱。

郑传杰介绍自己在该项研究中所做的工作

  光谱,相当于天体的“条形码”。有了这一“条形码”,郑传杰仅用了不到一周的时间对这颗B型恒星进行识别、验证,就排除了它是热亚矮星的可能性。“如果这是颗热亚矮星,那黑洞的质量就会被砍到太阳的10倍左右,可能这篇文章就不会这么有意思了,所以它是不是热亚矮星是比较核心的问题之一。郑传杰本科时就在做相关研究,他能很敏捷地就确认它是否是热亚矮星。”刘继峰说。

崔开明,国科大2015级硕博连读生

  在此之前,国科大博士三年级学生崔开明则根据这颗B型恒星的闪烁频率进行频谱分析,从而对它的密度、质量等进行估算;国科大博士二年级研究生牛泽茜、王逸伦测算了这一黑洞的半径、轨道……虽说他们的努力只是冰山一角,但毫无疑问,也为确认这个质量是太阳70倍的恒星级黑洞的发现出了份力。

牛泽茜,国科大2017级博士研究生

王逸伦,国科大2019级博士研究生

  “对于他们来说,有这样的机会是偶然也是必然。” 之所以如此,刘继峰解释,“一方面学生正好跟着我们做这一项研究,而我们正好做出了这一成果,某种意义上讲,这是偶然;但另一方面这也是个必然,因为国科大‘科教融合’的培养方式就要求学生在本科、研究生阶段跟着中科院科研人员一起做研究,他们自然而然就会参与到国家各种研究项目中来,一旦出了大成果,里面也会有他们的努力”。

  而作为国家天文台副台长、国科大天文学院副院长兼任课教师,“刘继峰老师其实一直都在思考,自己的科研能够带给学生什么,所以他会带着学生去做科研,把自己的科研能力、科研精神传递给他们。”国家天文台“科教融合”办公室副主任毛永娜认为,这对于学生的成长、发展也十分重要。

  因此,当你在“天舟一号”的搭载实验、纳米晶体的结构研究中以及国内十大科学进展等榜单上看到国科大在读学生的身影或名字,也就不必感到惊讶。

 

最好的褒奖

  但在得知自己的名字可以作为共同作者之一刊印于顶级期刊时,郑传杰还是大吃一惊。“感觉自己真没做什么,只是做了微乎其微的一小部分。”他在脑海中使劲搜寻了自己所做的工作,但在他看来,这些都可以忽略不计。

  “我们都是打酱油的”“我都不好意思说自己是作者之一”“特别心虚”…… 这些学生无一不觉得,即使不挂名,仅是参与其中就已经十分幸运。郑传杰打了比方,这就像作为球队的候补队员,跟随并见证球队夺得了“世界杯”冠军,“这一过程本身就是一笔非常宝贵的财富”。

同学们在户外观测

  其实在参加这一研究项目之初,郑传杰还兴趣、干劲十足,但在被拉进了数不清的微信讨论群,参与过不知多少次的深夜讨论会,见证了项目在探索阶段多次失败后,他有时会觉得这更像是个“画饼充饥”的游戏,“一直‘吃’不到真正的‘饼’,就会怀疑这些方法可能都行不通,还做它干什么?但刘老师的这一研究给我真真切切上了一课,要不断去尝试,要百折不挠,这是走向成功的必要条件之一”。同时这也给了他更多的信心和底气做科研,“毕竟这么大研究项目都参与过了”。

  崔开明还记得,刘继峰教授在帮他改论文时,曾把这篇当时尚未发布于《自然》的文章给他看,“其实看都不用看,都知道自己与老师巨大的差距,无论是分段,还是逻辑,老师这篇文章就像是个模板”。

  当然,对于崔开明来说,能亲历其中,并不仅仅学习了如何写论文,更重要的是能近距离学习优秀的科学家怎么做科研,能够亲自观察学习一个世界级科研项目的思维、链条、流程等。“刘老师为什么能取得这一研究成果?找到这一发现更多黑洞的方法?因为刘老师有一个很好的问题做科研的驱动,那就是那些黑洞在哪儿?”更重要的是,在崔开明看来,“做科研要能够问出好问题”。

  像是在年轻的学生身上种下了一颗科研的种子,牟枭勇觉得,国科大“科教融合”的培养模式能够为学生提供选择学业导师和科研训练的机会,使他们能时时刻刻与大师为伍,“这些都对我们作为年轻科研工作者的发展有着潜移默化的影响”。

刘继峰在国科大授课

  “所有的事业都是以人为先,对研究来说则以合格的研究人员为先。怎么培养合格的研究人员?可以是在高校学了很多课、方法,但不知道怎么做研究,然后再用很长时间去调整自己适应研究;你也可以在本科、研究生阶段就跟着我们做研究,体会科研的成就感和快感。”在刘继峰看来,这种体验不仅是学生快速进入研究环境和行列,更重要的是给他们一种激励,“你看,这样干也能出成果”。

刘继峰与同学们在一起

  正如第一位把量子理论应用到恒星光谱研究的天文学家塞西莉亚•佩恩•加波施金所说:“作为世界历史上发现或是理解某些事物的第一个人所得到的情感震颤,是对一个年轻科学家最好的褒奖,没有什么能超过这种情感体验。”

 

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责任编辑:杨慧娴