□ 供稿/赵冬瑶

1. 最轻的黑洞或最重的中子星？

一个由马普射电天文研究所的天文学家领导的研究团队，近期在银河系中发现了一个神秘天体，它的质量大于已知最重的中子星，但小于已知最轻的黑洞。这个神秘的天体也许可以帮助天文学家更好地理解中子星和黑洞之间的分界线。研究成果于2024年1月18日发表在《科学》杂志上。

该天体是通过MeerKAT射电望远镜发现的。MeerKAT位于南非，由64个天线组成。MeerKAT首先在距离地球4万光年的球状星团NGC 1851中，发现了一颗毫秒脉冲星PSR J0514-4002E。这颗脉冲星每秒旋转170次，它的射电脉冲在扫过地球时正好被捕捉到。研究人员在其高度规则的脉冲信号中发现了微小的变化，计算分析后确定PSR J0514-4002E处于一个双星系统，还存在着另一个密度极高的轨道天体。这个神秘天体的密度表明，它只可能是大质量恒星塌缩的残骸，也就是中子星或者黑洞。PSR J0514-4002E和这个天体相距800万千米，约为日地距离的0.05倍；每7天二者相互绕转一周。

双中子星或中子星-黑洞，一直是天文学家着重关注的系统，他们揭示了极端条件下的物理过程，是检验广义相对论的重要目标，也为极高密度下的核物理提供新的见解。PSR J0514-4002E所在的系统已经让研究团队兴奋，而更令他们意想不到的是，系统中另一个致密天体的质量达到了太阳质量的2.09-2.71倍，这既大于任何已知的中子星质量，又小于任何已知的黑洞质量，正好处于“黑洞质量空区”。

目前的理论认为，当大质量恒星中心燃料耗尽、无法再承受自身重力时，恒星的核心塌缩，并且发生超新星爆发，恒星中心产生中子星或黑洞。中子星的质量一般为太阳的1-2倍。当大质量恒星在超新星爆发中失去其外层和绝大多数质量后，若其核心质量仍高于太阳质量的2.2倍，那么它就足以塌缩成为黑洞，即理论认为最小的黑洞应该为2.2个太阳质量。此外，理论上中子星也可以直接塌缩成为黑洞。若中子星处于双星系统，可以从伴星吸积物质使自身质量增长到大于2.2个太阳质量时，那么中子简并压也不足以抗衡引力，核心继而塌缩变为黑洞。但是现实存在的问题是，天文学家迄今观测到的质量最小的黑洞，仍然是太阳质量的5倍左右。2.2个太阳质量到5个太阳质量之间黑洞缺失的区间被称为“黑洞质量空区”，这使天文学家对中子星和黑洞的分界线产生了怀疑。而此次发现的神秘天体将有助于揭开这个谜团，填补黑洞质量空区。

对于神秘天体的来源，研究团队认为可能是球状星团NGC 1851的致密恒星环境所导致的。NGC 1851中的恒星非常密集，他们比银河系其他部分的恒星聚集得更紧密。由于NGC 1851中的恒星非常拥挤，以至于它们可以相互作用，扰乱彼此的轨道，甚至在极端的情况下会发生碰撞。研究人员认为，可能是两颗中子星之间的一次碰撞，才产生了现在围绕PSR J0514-4002E运行的大质量致密天体。研究团队目前还不能确定他们发现的到底是中子星、黑洞或一种未知的致密天体，但可以肯定的是，这个系统是一个独特的宇宙实验室，可以让天文学家探究在极端环境下的物质运动和物理学。

2. 年轻恒星和年老恒星的新发现

历经将近十年的巡天，在红外波段观测了数亿颗恒星，来自英国的天文学家团队在银河系核球和核周盘中，对变星有了突破性的发现。他们不仅新发现了大样本的爆发原恒星，还发现了一种新类型的年老恒星。2024年1月26日的《皇家天文学会月刊》刊登的一组文章，介绍了此次的研究结果。

研究团队的最初目标，是利用可见光及红外巡天望远镜，在更大样本范围内，寻找亮度变化剧烈的爆发原恒星，他们可以帮助揭示恒星的形成和演化。原恒星大多数都会被大量的尘埃和气体所包围，他们在光学波段基本不可见，但其红外辐射不受尘埃和气体的影响，因此天文学家在红外波段可以观测到他们。经过分析，研究人员在核球和核周盘中确定了222颗变源或暂现源，其中大部分为新发现的目标，并且三分之二的源可以很容易地被归类为已知的各种类型恒星事件。

在剩下的样本中，研究团队认证了32颗新的爆发原恒星，这是迄今为止在单次研究中发现的最大数量的爆发原恒星。他们的亮度增加了至少40倍，有一些亮度的增加甚至超过了300倍。这些剧烈的爆发可以持续数月、数年甚至数十年。研究人员认为，在这些旋转物质盘中，这些爆发意味着新的类太阳系正在形成。原恒星从物质盘中仍在不断吸取大量物质，引发剧烈爆发。这有助于新生恒星的生长，但可能不利于行星的形成。研究人员希望通过这次的新样本，对从原恒星到成熟恒星的演化有更多的了解。

除了寻找到预定目标，研究团队还有了意想不到的新发现。他们发现有的恒星会突然变暗40-100倍，有时暗弱到几乎不可见；然而，在几年后这些恒星又会没有征兆的变亮，恢复到以前的亮度。在分析他们的光谱后，研究人员确定了他们是年老的巨星，并且会喷出烟雾状的尘埃，使其的亮度下降。研究团队认定他们是一种新型的巨星，并戏称为“老烟民”。研究人员发现了21颗这种巨星，他们都分布在核周盘中。所处的环境让研究人员对他们的成因有一些猜测：核周盘中的恒星往往比其他区域的恒星都更富含重元素，而巨星的外层气体又相对较冷，这可能使尘埃颗粒更容易从中凝结出来。然而，烟雾状尘埃为什么会被喷出仍然是个谜。

3. 发现超新星产生致密天体的直接证据

最近，天文学家终于发现了大质量恒星的死亡与黑洞或中子星的诞生之间的直接联系。

当大质量恒星到达生命终点时，他们会在自身引力的作用下迅速塌缩，从而发生超新星爆发。天文学家认为，在经历了剧烈的爆炸之后，剩下的是恒星的致密残留物。根据恒星质量的不同，致密残留物要么是中子星要么是黑洞。天文学家之前发现了许多表明这一系列事件的间接证据，例如在蟹状星云中发现了一颗中子星，而蟹状星云是近一千年前一颗大质量恒星爆炸时留下的气体云。但是天文学家此前从未见证过这个过程的实时发生，超新星爆发和致密遗骸之间是否有直接关联仍然难以捉摸。

2022年5月，在距离地球7500万光年的近邻星系NGC 157的旋臂中，来自南非的天文爱好者发现了超新星SN 2022jli。之后，来自以色列和北爱尔兰的两个独立的研究团队，分别利用甚大望远镜和新技术望远镜对SN 2022jli进行了后续观测，发现了它区别于其他超新星的独特性质。对于大多数超新星，在光学波段，他们爆炸后的亮度会随着时间的推移而逐渐减弱直到消失，光变曲线呈现为平滑地逐渐下降，标志着恒星的死亡。然而SN 2022jli的光变曲线却十分特别。虽然它的整体亮度是下降的，但并不是单纯平滑地下降，而是每12天上下振荡一次。这是第一次在超新星的光变曲线中探测到多次重复的周期性振荡。

两个研究团队都认为，SN 2022jli独特的亮度振荡是由于一颗伴星的存在而导致的，SN 2022jli处在一个双星系统中。大质量恒星存在于双星系统中并不罕见，其与伴星一起沿轨道相互绕转。而SN 2022jli系统的特别之处在于，该系统中的大质量恒星的超新星爆发并没有踢走或摧毁它的伴星，爆炸后的残留天体和伴星仍然在相互绕转的轨道上运行。以色列的研究团队还观测到了SN 2022jli系统中氢气的周期性运动以及伽马射线暴。

当所有这些观测证据结合起来时，研究人员分析认为，伴星由于超新星爆发的影响，其富含氢的大气层变得比之前更加蓬松。当残留的致密天体在绕转轨道上接近伴星时，它会窃取伴星蓬松大气的物质，在自身周围形成一个高温吸积盘，并释放能量，有时甚至爆发伽马射线暴。由于是周期性绕转，所以这种周期性的物质窃取造成了所观测到的周期性亮度振荡。

尽管研究团队无法观测到来自致密天体本身的辐射，但他们认为这种物质窃取只可能是由一颗中子星或者一个黑洞所造成，这是超新星爆发产生中子星或黑洞的第一个直接证据。但是SN 2022jli这个独特的系统仍有很多问题有待解开，包括残留的致密天体的确切性质，以及这个双星系统的结局是什么。天文学家将利用下一代望远镜揭示它更多的细节。研究结果分别发表于2024年1月10日的《自然》杂志和2023年10月13日的《天体物理学报通信》杂志。

4. 没有恒星的星系

近期，由绿岸天文台天文学家领导的团队，意外地发现了一个充满原始气体的星系，特别之处在于该星系没有可见的恒星，是一个“黑暗”星系，也是迄今为止发现的最暗弱的星系。之前，研究团队使用绿岸射电望远镜，想要探测低面亮度星系中的中性氢气体时，由于望远镜指向了错误的坐标而意外地发现了这个星系。该星系被命名为J0613+52，距离地球约2.7亿光年，是一个低面亮度星系。研究结果公布于2024年1月8日的美国天文学会年会上。

低面亮度星系往往包含非常少量的恒星，他们每单位面积发出的光比普通星系，如银河系或仙女星系，少得多。低面亮度星系通常只比夜空背景亮一点，这使得他们非常难以被发现。第一个被发现的低面亮度星系是Malin 1，发现于上世纪80年代，是目前观测到的最大的旋涡星系之一。其直径是银河系的5倍左右，但它的亮度仅为我们银河系的1%。低面亮度星系的演化也比普通星系慢得多，多数仍处于恒星形成的早期阶段。天文学家认为这是因为他们的气体密度非常低，即使存在密度相对高的气体团块，他们的密度也不容易达到恒星诞生的条件。低面亮度星系的存在挑战了现有的恒星形成和星系演化理论，因此研究团队致力于深入研究他们的性质，如动力学质量和气体含量。

J0613+52是一个低面亮度的不规则矮星系，但是它具有一些与众不同的性质。J0613+52是一个富含气体的星系，具有与普通旋涡星系大致相同的动力学质量和气体含量，但是没有观测到恒星或恒星形成。与此同时，由于它距离其他星系非常遥远，周围112秒差距内没有任何星系，因此也无法通过星系相互作用触发恒星形成。这意味着J0613+52很可能既未受到干扰也没有经历过多的演化，其中的气体很可能还是原始气体。原始气体是宇宙大爆炸后不久产生的主要由氢和氦组成的气体，它是没有被后续恒星爆炸而污染的贫金属气体。J0613+52这个被意外发现的星系，是近邻星系中第一个由原始气体组成的星系。因此，J0613+52也将帮助天文学家了解宇宙早期原始气体的性质。另一个值得注意的事实是，暗物质应该在J0613+52的成分中占主导地位。研究团队发现，如果要实现观测到的J0613+52的气体分布，暗物质需要占其成分的95%，这将帮助天文学家了解暗物质在星系中的分布情况。

J0613+52并不是首个被发现的“黑暗”星系。2005年，天文学家曾在室女星系团中发现了一个名为VIRGOH1 21的“黑暗”星系。对于“黑暗”星系的性质还有很多争议，他们的发现给天文学家带来的问题多于答案，后续更多的探测和研究，将帮助天文学家解开他们的秘密。

5. M87中心黑洞的新图像

天文学家于近期公布了M87中心超大质量黑洞的第二张图像。图像数据是由事件视界望远镜（EHT）于2018年4月21日所拍摄，与首次拍摄相隔1年零10天。新图像和相关研究结果于2024年1月18日发表在《天文学和天体物理学》杂志上。

椭圆星系M87距离地球约5500万光年，其中心超大质量黑洞（M87*）的质量相当于太阳质量的约65亿倍。2017年4月，天文学家首次利用EHT对其进行了拍摄，并于2019年4月10日向世界公布了人类历史上的第一张黑洞照片。照片显示出一个发光的金色环，表明M87*周围的吸积物质被加热到极端温度，而环中心的黑暗阴影就是超大质量黑洞M87*。M87*的第二张照片与第一张照片相似，仍然展现了一个发光的金色环，中心是黑暗的阴影，并且阴影大小与1年多前没有显著变化。

科学的一个基本要求是能够重现结果。M87*的第二张照片来自EHT的全新数据，而与第一张照片相似的结果表明，天文学家的确看到了星系中心黑洞及其周围的物质。此外，M87*的第二张照片的重要之处还在于它进一步支持了广义相对论。广义相对论提出，黑洞的直径取决于其质量。如果一个黑洞的质量快速增长，那么它的直径也会显著变大。天文学家此前估计M87*并没有以很快的速度吸积物质，即它的质量增长非常缓慢，在人类生命的时间尺度上基本不变，从而由广义相对论推出它的大小应该没有变化。此次M87*的新照片清楚地展现了黑洞的外边界，也就是事件视界的大小，与之前没有发生显著变化，证实了广义相对论的预测。

仔细观察，M87*的第二张照片在环的亮度上还是有变化的。在新图像中，黑洞周围环的最亮峰值逆时针移动了30度。这些变化与黑洞周围吸积盘上的物质湍流有关，表明了吸积盘上物质的运动和可变性。M87*的图像数据将帮助验证和约束黑洞周围磁场结构和等离子体环境的理论建模，从而帮助解开黑洞的复杂天体物理学谜题。

此次M87*的新图像令天文学家十分兴奋，这也得益于EHT的不断发展和升级。2018年，在北极圈内新建成的格陵兰望远镜加入了EHT的望远镜阵列。它的加入扩大了EHT的覆盖范围，尤其在南北方向上，这使得EHT图像的准确性显著提高了。此外，50米口径的LMT大型毫米波望远镜也加入了EHT，大大提高了EHT的灵敏度。EHT的其他升级还包括可以在230 GHz左右的四个频段进行观测，而2017年时只有两个频段。2018年之后，EHT于2021年和2022年对M87*再次进行了观测，并计划于2024年的上半年进行下一次观测。天文学家希望在这些后续观测中有机会看到M87*的物质喷流；而在6年前EHT没有得到升级的状况下，这是无法达成的。

6. 发现最古老黑洞

由英国剑桥大学的天文学家领导的团队公布了他们近期的新发现：观测到了最古老的黑洞，并且它正在“吞噬”其宿主星系。

研究团队首先关注到了星系GN-z11，它距离地球约134亿光年，即存在于大爆炸后仅4亿年的宇宙中，大小是银河系的约1/100。GN-z11非常明亮，暗示着活动星系核的存在。研究团队利用韦布空间望远镜得到的光谱数据证实，GN-z11中心存在一个活跃的黑洞，其质量约为太阳质量的160万倍，达到了宇宙后期星系中心黑洞质量的量级。这就像看到一个家庭，他们有一名1.8米高的青少年，但同时也有一名1.8米高的幼儿，问题就出现了：这个幼儿是如何长到这么高的？同样的，在如此早期的宇宙中存在如此大质量的黑洞，他们是如何成长的？这令研究人员再次审视黑洞、星系形成和演化的理论。

目前，天文学家提出了两条主要途径，可以让黑洞在早期宇宙中达到超大质量状态。其一，他们“生来就很大”，巨大的气体尘埃云团塌缩形成质量是太阳几万到几十万倍的重种子黑洞，这帮助黑洞在成长的过程中取得先机，使其可以在不到几亿年的时间里，快速成长到超大质量状态。GN-z11的中心黑洞可以通过此途径形成。

然而，GN-z11的存在也不能排除另一种成长途径，即起始于轻种子黑洞。根据标准模型，宇宙初期的大质量恒星死亡后，会形成质量约为太阳质量100倍的黑洞。如果以正常速度增长，黑洞将需要大约十亿年的时间才能达到百万太阳质量的量级。GN-z11的黑洞被发现在宇宙年龄仅为4亿年，看似不可能来源于轻种子黑洞。然而，研究人员分析光谱后发现，GN-z11黑洞的增长速度比理论上限还快得多。黑洞吸积物质的理论上限速度为爱丁顿极限，即以这个速度吸积物质时，吸积产生的辐射压恰好等于物质的引力，不会将物质推开。实际上，GN-z11的黑洞正在以高出爱丁顿极限5倍的速度从其宿主星系吸积物质。观测数据还表明，GN-z11富含气体，意味着它可以为其中心黑洞提供大量“食物”。由此，研究人员估计GN-z11黑洞的“超爱丁顿吸积”时期可能可以持续1亿年，如此它就可能不必以重种子黑洞的形式开始生命：它可能在大爆炸后约2.5亿年至3.7亿年之间，开始于一个轻种子黑洞；此后迅速增长，在4亿年时达到韦布望远镜所观测到的质量。

韦布空间望远镜将使天文学家在更早期宇宙中发现更多的黑洞，GN-z11可能很快就会失去纪录保持者的身份。这些古老的黑洞将为黑洞、星系的形成和演化带来更多线索。此次的研究成果发表于2024年1月17日的《自然》杂志。

（责任编辑　卢瑜） vMJ1zzJd3Mx8YBa1BB1IjNaM0hsd93f7zAFnQxCENiD6R7OPONJc2gAdr7qdt5DE