中国科学院国家天文台和上海交通大学联合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。相关成果于北京时间9月10日在线发表于《自然·天文》。

01

什么是“质量间隙”？

恒星级黑洞是大质量恒星演化的终结。在宇宙中，质量小的恒星远远多于质量大的恒星；理论上，小质量恒星级黑洞的数目也应远多于大质量恒星级黑洞的数目。

然而观测结果并非如此。近60年来，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倍-5倍太阳质量的小黑洞，这一区间被称为质量间隙（图1）。

▲图1 左图：直方图为观测的中子星（NS）与黑洞（BH）的质量分布。不同颜色的线代表了不同恒星演化（超新星爆炸）理论预期的中子星和黑洞质量分布。Credit：Belczynsk et al. (2012)。右图：LIGO发现的GW190425和GW230529。Credit: S. Galaudage。

人们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。尽管最近激光干涉引力波天文台（LIGO）的观测揭示了在质量间隙内存在致密天体，但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。

02

新方法揭开小黑洞面纱

在此次研究中，研究人员基于LAMOST的光谱数据和Gaia的天体测量数据，在双星系统G3425中发现了一例小质量恒星级黑洞（图2）。

在该双星系统中，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中不包含来自其他成分的光谱，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。

▲图2：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。

G3425的发现表明，视向速度和天体测量方法两种方法的结合可以有效发现隐藏于双星中的宁静致密天体并精确测量致密天体的质量（图3a、b）。而此前所认为的“恒星级黑洞存在质量间隙”可能是由于单一观测方法造成的选择效应。

科研人员还发现，G3425系统的轨道非常宽（周期约为880天），且接近正圆（椭率约为0）（图3c）。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3：（a）视向速度数据拟合。（b）天体测量数据拟合。（c）G3425与其他恒星级黑洞在质量—轨道周期分布的比较。

除了双星演化途径，研究人员猜测，G3425起初也可能是一个三星系统，观测到的巨星位于最外层，内双星则包含两颗大质量恒星，现今的黑洞是内双星经过长期演化后并合的结果。甚至，G3425的不可见天体可能仍然包含两颗小质量致密天体。在这种情况下，该不可见天体将是双中子星或中子星与白矮星并合的候选体，未来可以通过引力波观测来探测其并合事件。

相关论文信息：

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