LAMOST助力在双星中发现遁形已久的小黑洞

 北京时间9月10日，国际科学期刊《自然·天文》在线发表了一项中国科学院国家天文台和上海交通大学联合主导的重要研究成果。研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜（LAMOST）以及欧空局的Gaia卫星数据，通过视向速度方法和天体测量方法，在双星系统中成功发现了一颗位于黑洞质量间隙的小质量黑洞。

近60年来，天文学家基于传统X射线方法已经证认并测量了20余颗恒星级黑洞的质量，其质量分布显示为缺少3—5倍太阳质量的黑洞，这一区间被称为黑洞质量间隙。这与黑洞形成理论的预期——小质量黑洞数量远多于大质量黑洞——大相径庭。天文学家试图通过修改超新星爆炸理论来解释该质量间隙，也有研究认为超新星爆炸会更容易瓦解包含小质量黑洞的双星系统，从而导致了这一观测效应。尽管近年来激光干涉引力波天文台（LIGO）的观测揭示了黑洞质量间隙内存在致密天体，然而，小质量黑洞是否可以存在于双星系统中仍然是一个备受争议的问题。这类系统中的双星很可能无相互作用（如物质传输），因此没有X射线辐射，但可以通过视向速度和天体测量方法进行搜索。

 图1：G3425双星想象图，包含一颗可见的红巨星和一颗不可见的小质量恒星级黑洞（王松绘制）。

 在这项研究中，科研团队基于LAMOST光谱数据和Gaia的天体测量数据，在双星系统G3425中发现了一颗小质量恒星级黑洞（图1）。该双星系统中，可见星为一颗质量约为2.7倍太阳质量的红巨星，而不可见星的质量约为3.6倍太阳质量（3.1到4.4倍太阳质量之间）。光谱分解显示，除了红巨星的光谱外，G3425中不包含来自其它成分的光谱，这有力证明了该不可见天体为一颗黑洞，也证明了包含小质量黑洞的双星系统是可以存在的。结合引力波等方法发现的小质量黑洞系统，研究团队认为质量间隙可能是由于单一观测方法造成的选择效应。更为奇特的是，G3425系统的轨道周期约为880天，轨道椭率接近为0（图2）。如此宽圆轨道的双星形成机制对当前的双星演化和超新星爆炸理论提出了挑战。

 图2：（a）视向速度数据拟合。（b）天体测量数据拟合。（c）G3425与其它恒星级黑洞在质量—轨道周期分布的比较。

 “Gaia天体测量数据分析不仅确认了LAMOST所发现的黑洞，而且给出了双星轨道的倾角，进而测量到了黑洞的绝对质量，使得我们可以确信它是在质量间隙内的黑洞。这个发现再次证明了视向速度和天体测量的结合可以帮助我们发现包括黑洞和行星在内的大量暗天体，并揭示它们形成与演化的奥秘”，上海交通大学副教授冯发波兴奋地说。

该研究成果得到了两位审稿人的高度评价，他们一致认为：“G3425是一个非常有趣的双星系统，它的轨道特征挑战了双星演化和超新星爆炸的现有理论”（"The authors have discovered a very interesting new kind of binary system" from Referee #1; "The low mass as well as the wide but circular orbit make this an interesting system, because it challenges current theories of binary evolution and supernova physics" from Referee #2）。

中国科学院国家天文台王松副研究员是该论文的共同第一作者和通讯作者。上海交通大学冯发波教授和中国科学院国家天文台刘继峰研究员为该论文的共同通讯作者。中国科学院大学博士研究生赵欣林是该论文的共同第一作者。此项研究还包括来自中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台、南京大学等多家机构的其他天文学家。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02359-9