恆星級黑洞

黑洞是一種體積極小、質量極大的天體，如同一個宇宙“吞噬之口”，連光也無法逃逸。

天文學家根據黑洞質量的不同，將黑洞大致分為恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100-10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的 “居民”。一顆恆星演化到最後如果剩下的質量太多（大於3倍太陽質量），多到既不能形成白矮星，也不能成為中子星，一旦進入死亡階段，就沒有任何力量可以阻止這顆恆星在終極引力的作用下持續塌縮，最終形成緻密的黑洞。球狀星團和矮星系中心或許有中等質量的黑洞，而在星系的中心存在着超大質量黑洞，比如銀河系中心就有一個約400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。 ^[3] 

根據廣義相對論，可以存在任何質量的黑洞。質量越少，形成黑洞所需的密度就越高（史瓦西半徑）。直至目前為止，還沒有發現任何可以製造少於1個太陽質量的黑洞方法。但如果它們存在，它們極有可能是微黑洞。

恆星的引力坍縮是一個形成黑洞的自然過程。當恆星壽終正寢時，即所有能量耗盡後，引力坍縮是無可避免的事態。如果恆星的坍塌質量低於臨介值時，將會生成白矮星或中子星的緻密星。這些星體擁有極大的質量，所以，如果緻密星的質量超過此臨介值時，引力坍塌會繼續，然後突變為重力坍塌，形成黑洞。雖然還沒證實到中子星的最大質量，但估計也有3倍太陽質量。直至目前為止，質量最小的黑洞大約有3.8倍太陽質量。 ^[4] 

另外，也有觀察證據證明有兩種質量比恆星黑洞更大的黑洞，它們是中介質量黑洞（位於球狀星團的中心）和超大質量黑洞（位於銀河系和活動星系核的中心）。

一個黑洞最多隻能擁有以下三個特性：質量、電荷和角動量（旋轉）。所有自然生成的黑洞都會旋轉，但並沒有確實觀察旋轉狀況。恆星黑洞的旋轉是因為恆星的角動量守恆而造成的。

當物質從黑洞的伴星轉移至黑洞時，在雙星系統中的黑洞是可以觀測到的。掉落至緻密伴星的質量釋放出的能量非常巨大，這使得物質的温度升高至數億度的温度。因此可以用X射線觀察黑洞，而伴星可以用光學望遠鏡觀測。從黑洞和中子星釋放出來的能量有相同的數量級，使黑洞和中子星經常難以區分。

但是，中子星還有其他的特性。它們自轉不同，並且有磁場和呈現局部的爆炸現象（熱核爆炸）。每當觀測到這些特性，就可以判斷緻密雙星的伴星是中子星。

推導出的質量來自對緻密X射線源的觀測（結合X射線和可見光波段的數據），所有被辨認出為中子星的質量都在3-5倍的太陽質量，緻密伴星的質量在5倍太陽質量以上的系統都未顯露出中子星的特徵。結合這些事實，緻密伴星的質量在5倍太陽質量以上的很可能是黑洞。

值得注意的是，黑洞存在的證據不僅是從地球上觀測到的，也來自理論：在如此的雙星系統中，除了黑洞之外，沒有任何天體可以做為這個緻密天體的伴星。如果能直接觀察到一個微粒（或氣體雲）墜落進入黑洞的軌道，就可以直接證明黑洞的存在。

2010年1月，天文學家使用歐洲南方天文台甚大望遠鏡觀測結果顯示，關於星系中的恆星級黑洞的研究項目再次有了新發現。隨着2007年公佈的在M33星系內發現了一個具有15倍太陽質量的黑洞之後，這次發現的恆星級黑洞則將距離擴展到了600萬光年。恆星級黑洞背後所藴藏的奧秘越來越令人琢磨不透。 ^[5] 

從2015年起，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）及歐洲室女座引力波天文台（Virgo）的引力波觀測實驗已經發現了幾十倍太陽質量的黑洞，質量遠高於先前已知的銀河系裏的恆星級黑洞。 ^[3] 

北京時間2019年11月28日凌晨，國際科學期刊《自然》發佈了中國科學院國家天文台劉繼峯、張昊彤研究團隊的一項重大發現。依託我國自主研製的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），研究團隊發現了一顆迄今為止質量最大的恆星級黑洞，並提供了一種利用LAMOST巡天優勢尋找黑洞的新方法。這顆70倍太陽質量的黑洞遠超理論預言的質量上限，顛覆了人們對恆星級黑洞形成的認知，有望推動恆星演化和黑洞形成理論的革新。 ^[6] 

2022年7月，科學家在與銀河系相鄰的大麥哲倫星雲中發現了一個休眠的恆星質量黑洞。這一黑洞的質量至少是太陽質量的9倍，圍繞着一顆質量為太陽質量25倍的熾熱藍色恆星運行。 ^[9] 

2010年1月最新公佈的數據表明，這個遠離地球600萬光年的黑洞位於一個螺旋狀星系內，即NGC300。謝菲爾德大學天文學教授稱，它是我們迄今觀測到的最遠的恆星級黑洞，也是人類第一次在銀河系周邊範圍之外發現這個級別的黑洞。

早在2007年，美國國家航空航天局使用X射線探測器對NGC300內部最強烈的X射線源進行了觀測，這個研究項目要早於歐洲空間局XMM-牛頓X射線空間天文台的觀測。

而來自歐空局的相關人員解釋道：“我們將定期對強烈的X射線源進行記錄，有跡象表明黑洞會隱藏在這個區域。”我們知道，由於物質在被黑洞吸積過程中，引力勢能轉化為物質的動能，在轉化為熱能，在離黑洞最近的吸積盤內區，X射線的輻射是最強的，所以通過對X射線輻射量的觀測，可以得到一些黑洞的行為特性。

在對這個黑洞的觀測中，天文學家發現它的伴星質量達到了20倍太陽質量，而且他們相互之間劇烈的旋轉，就像絢麗的華爾茲，一個週期只有32個小時。同時，這顆伴星上的大量物質也被剝離，吸入黑洞，由此形成吸積盤。

以往在銀河系內發現的恆星級黑洞質量達到10倍太陽質量，這個級別的黑洞的銀河系外可能也只算個輕量級的。像一個黑洞和一個伴星組成的系統在以往的觀測中被發現過，所以天文學家對這類的天體系統還是比較瞭解，基於這個天體系統，天文學家可以發現黑洞的物質與星系化學之間的關係，他們相信高濃度的重元素將影響一個大質量恆星的演化。

2019年11月28日，主導發現迄今為止最大質量的恆星級黑洞LB-1的中國科學院國家天文台劉繼峯研究員介紹説，一般模型認為大質量恆星級黑洞主要形成於低金屬丰度（低於1/5太陽金屬丰度）環境中，LB-1卻有一個與太陽金屬丰度相近的B型星。目前恆星演化模型只允許在太陽金屬丰度下形成最大為25倍太陽質量的黑洞，因此，LB-1中黑洞的質量已經進入了現有恆星演化理論的“禁區”。這可能意味着有關恆星演化形成黑洞的理論將被迫改寫，或者以前某種黑洞形成機制被忽視。LIGO台長大衞.雷茨評論説，“在銀河系內發現70倍太陽質量的黑洞，將迫使天文學家改寫恆星級質量黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去四年裏LIGO及Virgo探測到的雙黑洞併合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興”。 ^[3] 

2021年12月，入選中央廣播電視總枱2021國際十大科技新聞。 ^[7] 

2021年12月，中央廣播電視總枱發佈2021年度國際十大科技新聞：中外科學家對首個恆星級黑洞做出精確測量。 ^[8]