中国科学家发现最大恒星级黑洞遭质疑 《自然》两文展开辩论

北京时间4月30日凌晨，世界顶尖学术期刊《自然》上发表的两篇文章上演隔空对话。辩论题目是：中国科学院国家天文台刘继峰团队去年宣布发现的最大恒星级黑洞质量达到70倍太阳质量，结论是否正确？

这两篇文章，一篇来自比利时鲁汶大学物理和天文系副教授乌格斯·萨那（Hugues Sana），题为《关于LB-1系统中70倍太阳质量黑洞的特征》；另一篇来自刘继峰团队，题为《回复关于LB-1系统中70倍太阳质量黑洞的特征》。

其实在这之前，已有几个国际团队提出质疑，认为刘继峰团队下结论使用的关键前提有误，LB-1黑洞的质量远没有这么大，甚至根本不是黑洞，而是一颗中子星或恒星。

刘继峰团队在回复文章中承认，实际情况比原先考虑的复杂，但新加进来的因素不足以推翻前提假设。目前，他们正从一个后来发现的简洁角度切入重新分析，初步结果与之前一致，可达到65倍太阳质量，依然是史上最大的恒星级黑洞。

他们也期待欧洲空间局的盖亚望远镜能给这场学术争论提供决定性的数据。

在了解双方的观点之前，我们不妨先回到讨论的起点：一颗被评价为“不可能存在”的黑洞。

“不可能”的黑洞

2019年11月28日，《自然》发布国家天文台刘继峰、张昊彤研究团队的一项重大发现。该团队依托郭守敬望远镜（LAMOST），在LB-1系统中发现一颗大约70倍太阳质量的黑洞。

许多媒体报道时使用了“不可能”（impossible）来形容。刘继峰本人在最开始发现它时也表示“不敢相信”，觉得这样的黑洞在银河系中“不应该”存在。

LB-1的艺术想象图 (喻京川绘)。

其实，有一类位于星系中心的超大质量黑洞，门槛就是几百万倍太阳质量。为什么LB-1黑洞才70倍太阳质量就不可能了？

原来，研究团队判断LB-1黑洞属于“恒星级黑洞”，是天体物理中最小的一类黑洞，质量通常在3倍至几百倍太阳之间，由恒星爆炸而形成。

一般而言，恒星中含有的金属丰度 越多，向外“刮”物质的星风就越强烈，大量质量提前流失。依此推论，大质量的恒星级黑洞只能形成于低金属丰度的环境中。以我们银河系的化学成分来看，不会出现超过30倍的恒星级黑洞。

此前，天文学家们在银河系中找到的恒星级黑洞，确实都在20倍太阳质量以下。

然而，这次发现的LB-1金属丰度与太阳近似（1.2倍），质量却接近太阳的70倍，显然是大大“超纲”了，直接挑战到现有的恒星演化理论。

正因如此，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）台长大卫•雷茨（David Reitze）当时给出了很高的评价：“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。”

两个关键前提

刘继峰团队是如何找到LB-1的？

他们的工具是位于兴隆观测站的郭守敬望远镜（LAMOST），重点监测开普勒望远镜扫描过的一个天区，追踪其中的双星系统。

他们创新性地使用了“径向速度法”来寻找静默的黑洞。当天体靠近或远离观测方向，它的光谱会发生有规律的蓝移（频率变高）或红移（频率变低），就像救护车加速驶近时鸣笛声调变高，加速远离时声调又变低。

他们偶然发现有一颗光谱为B型的恒星很惹眼，恒星的特征吸收线随时间摆动，但同时又有一条近乎静止，且和B型星反相位运行的氢发射线。

这说明，它在绕着一个看不见的东西转动，而且那个天体质量很大，两者差异悬殊，导致恒星快速旋转，而看不见的家伙转动幅度很小。

根据刘继峰团队的计算，B型星质量约为8倍太阳，按比例计算，看不见的天体质量高达70倍太阳质量，只能是黑洞了。

从以上推演过程，我们发现要得出“70倍太阳质量”这个重磅结论，有两个关键前提：

1、那个“看不见的家伙”的氢发射线只是几乎静止，并非真的静止不动。它需要以非常轻微的幅度左右摆动，在图像上形成类似于酒瓶的形状。不然的话，按摆动比例计算它的质量会超出天际，难以解释。

2、看得见的B型星的质量真的有8倍太阳。按比例计算，B型星质量越大，“看不见的家伙”质量也就越大。

氢发射线真的轻微摆动了吗？

尽管在论文发表之时，地球上最先进的光学望远精，包括位于夏威夷的10米凯克望远镜和位于西班牙的10.4米GTC望远镜也都跟进确认过，但此后，国际上质疑的声音依然不断。

去年12月9日，美国加州大学伯克利分校研究生埃尔·巴德里（El-Badry）在预印本网站上传一篇未经同行评议的文章，认为那条氢发射线的轻微摆动是由B型星周围大气吸收造成的，其实是完全静止的。这条氢发射线的来源因此不可能是一个黑洞。

1月10日，德国-纽伦堡大学和波茨坦大学的天文学家团队则在《天文学与天体物理学》上发文称，这个天体可能根本不是黑洞，而是大质量中子星，甚至普通恒星。

他们的破论点主要在前提2上。一些化学元素迹象表明，看得见的B型星可能已经被剥离外壳，质量只剩下了1.1倍太阳质量。以此计算，看不见的家伙只有2-3倍太阳质量。

这次，比利时鲁汶大学萨那团队的评论文章以“续议事项”的形式发表。他们的主要观点与巴德里相似，即氢发射线的轻微摆动是由B型星的吸收部造成的。

他们认为，从目前数据来看，B型星的质量下限为4倍太阳质量，如果是两颗4倍太阳质量的恒星形成双星系统，且转速够快的话，那另一个恒星可能会探测不到。

回复：最新观测和分析依然达到65倍太阳质量

“续议事项”是《自然》在2018年底上线的板块，如果对此前《自然》发表过的论文出现特别有趣、及时的同行评论或阐释，即可以“续议事项”的形式刊登。与此同时，被评论原文的作者获得一次回复机会。如果编辑部认为该回应“建设性地推进了讨论”，就会将回复文章与“续议事项”文章同期发表。

在回复文章中，刘继峰团队结合最新的光谱观测数据和分析，再次确认了关键前提依然成立。B型星的质量最可能在5倍至8倍太阳质量之间，相对应的黑洞质量为23至65倍太阳质量。

针对氢发射线轻微摆动问题，他们认为，虽然B型星吸收确实能移动氢发射线，但无法得出氢发射线静止的结论。

事实上，氢发射线还受到其他多种因素的影响，其中B型星辐射和星风就会造成一种“对冲”B型星吸收的作用。

此外，无论是氢发射线的形状还是宽度，都不像是产生于双星系统的周围环境。

尽管如此，作者团队认可氢发射线问题要比原先设想的复杂。他们发现，用帕邢发射线能更简单、更清晰地测量“看不见的天体”的轨道运动。

刘继峰等介绍道，相关论文已经在筹备中，该研究初步结论是帕邢发射线的峰值点清除地显示相对于B型星的反相位轨道运动，再次表明是由另一个看不见的天体发出的，而不是双星系统的周围环境产生的。

初步计算得到，看得见与看不见天体的质量比例在4.6–8.1之间，与氢发射线测出的结果一致。

刘继峰团队的文章同时对德国团队提出的“剥除外壳”恒星问题作出了回应。他们认为，这种猜测目前尚无观测支持，且“剥除外壳”恒星的寿命很短，恰好就被撞上的可能性很低。

文章最后提到，这场学术辩论最终的裁判可能是盖亚望远镜。结合该望远镜数据和开普勒第三定律，就能算出看得见和看不见天体的质量总和。