世界頂尖學術期刊《自然》上發表的兩篇文章上演隔空對話。辯論題目是：中國科學院國家天文台劉繼峰團隊去年宣布發現的最大恒星級黑洞質量達到70倍太陽質量，結論是否正確？

這兩篇文章，一篇來自比利時魯汶大學物理和天文系副教授烏格斯·薩那（Hugues Sana），題為《關於LB-1系統中70倍太陽質量黑洞的特徵》；另一篇來自劉繼峰團隊，題為《回復關於LB-1系統中70倍太陽質量黑洞的特徵》。

其實在這之前，已有幾個國際團隊提出質疑，認為劉繼峰團隊下結論使用的關鍵前提有誤，LB-1黑洞的質量遠沒有這麼大，甚至根本不是黑洞，而是一顆中子星或恆星。

劉繼峰團隊在回复文章中承認，實際情況比原先考慮的複雜，但新加進來的因素不足以推翻前提假設。目前，他們正從一個後來發現的簡潔角度切入重新分析，初步結果與之前一致，可達到65倍太陽質量，依然是史上最大的恆星級黑洞。

他們也期待歐洲空間局的蓋亞望遠鏡能給這場學術爭論提供決定性的數據。

在了解雙方的觀點之前，我們不妨先回到討論的起點：一顆被評價為“不可能存在”的黑洞。

“不可能”的黑洞

2019年11月28日，《自然》發布國家天文台劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發現。該團隊依托郭守敬望遠鏡（LAMOST），在LB-1系統中發現一顆大約70倍太陽質量的黑洞。

許多媒體報導時使用了“不可能”（impossible）來形容。劉繼峰本人在最開始發現它時也表示“不敢相信”，覺得這樣的黑洞在銀河系中“不應該”存在。

LB-1的藝術想像圖(喻京川繪)。

其實，有一類位於星系中心的超大質量黑洞，門檻就是幾百萬倍太陽質量。為什麼LB-1黑洞才70倍太陽質量就不可能了？

原來，研究團隊判斷LB-1黑洞屬於“恆星級黑洞”，是天體物理中最小的一類黑洞，質量通常在3倍至幾百倍太陽之間，由恆星爆炸而形成。

一般而言，恆星中含有的金屬豐度越多，向外“刮”物質的星風就越強烈，大量質量提前流失。依此推論，大質量的恆星級黑洞只能形成於低金屬豐度的環境中。以我們銀河系的化學成分來看，不會出現超過30倍的恆星級黑洞。

此前，天文學家們在銀河系中找到的恆星級黑洞，確實都在20倍太陽質量以下。

然而，這次發現的LB-1金屬豐度與太陽近似（1.2倍），質量卻接近太陽的70倍，顯然是大大“超綱”了，直接挑戰到現有的恆星演化理論。

正因如此，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）台長大衛•雷茨（David Reitze）當時給出了很高的評價：“這一非凡的成果，將與過去四年裡LIGO及Virgo探測到的雙黑洞並合事件一起，推動黑洞天體物理研究的複興。”

兩個關鍵前提

劉繼峰團隊是如何找到LB-1的？

他們的工具是位於興隆觀測站的郭守敬望遠鏡（LAMOST），重點監測開普勒望遠鏡掃描過的一個天區，追踪其中的雙星系統。

他們創新性地使用了“徑向速度法”來尋找靜默的黑洞。當天體靠近或遠離觀測方向，它的光譜會發生有規律的藍移（頻率變高）或紅移（頻率變低），就像救護車加速駛近時鳴笛聲調變高，加速遠離時聲調又變低。

他們偶然發現有一顆光譜為B型的恆星很惹眼，恆星的特徵吸收線隨時間擺動，但同時又有一條近乎靜止，且和B型星反相位運行的氫發射線。

這說明，它在繞著一個看不見的東西轉動，而且那個天體質量很大，兩者差異懸殊，導致恆星快速旋轉，而看不見的傢伙轉動幅度很小。

根據劉繼峰團隊的計算，B型星質量約為8倍太陽，按比例計算，看不見的天體質量高達70倍太陽質量，只能是黑洞了。

從以上推演過程，我們發現要得出“70倍太陽質量”這個重磅結論，有兩個關鍵前提：

1、那個“看不見的傢伙”的氫發射線只是幾乎靜止，並非真的靜止不動。它需要以非常輕微的幅度左右擺動，在圖像上形成類似於酒瓶的形狀。不然的話，按擺動比例計算它的質量會超出天際，難以解釋。

2、看得見的B型星的質量真的有8倍太陽。按比例計算，B型星質量越大，“看不見的傢伙”質量也就越大。

氫發射線真的輕微擺動了嗎？

儘管在論文發表之時，地球上最先進的光學望遠精，包括位於夏威夷的10米凱克望遠鏡和位於西班牙的10.4米GTC望遠鏡也都跟進確認過，但此後，國際上質疑的聲音依然不斷。

去年12月9日，美國加州大學伯克利分校研究生埃爾·巴德里（El-Badry）在預印本網站上傳一篇未經同行評議的文章，認為那條氫發射線的輕微擺動是由B型星周圍大氣吸收造成的，其實是完全靜止的。這條氫發射線的來源因此不可能是一個黑洞。

1月10日，德國-紐倫堡大學和波茨坦大學的天文學家團隊則在《天文學與天體物理學》上發文稱，這個天體可能根本不是黑洞，而是大質量中子星，甚至普通恆星。

他們的破論點主要在前提2上。一些化學元素跡象表明，看得見的B型星可能已經被剝離外殼，質量只剩下了1.1倍太陽質量。以此計算，看不見的傢伙只有2-3倍太陽質量。

這次，比利時魯汶大學薩那團隊的評論文章以“續議事項”的形式發表。他們的主要觀點與巴德里相似，即氫發射線的輕微擺動是由B型星的吸收部造成的。

他們認為，從目前數據來看，B型星的質量下限為4倍太陽質量，如果是兩顆4倍太陽質量的恆星形成雙星系統，且轉速夠快的話，那另一個恆星可能會探測不到。

回复：最新觀測和分析依然達到65倍太陽質量

“續議事項”是《自然》在2018年底上線的板塊，如果對此前《自然》發表過的論文出現特別有趣、及時的同行評論或闡釋，即可以“續議事項”的形式刊登。與此同時，被評論原文的作者獲得一次回復機會。如果編輯部認為該回應“建設性地推進了討論”，就會將回复文章與“續議事項”文章同期發表。

在回复文章中，劉繼峰團隊結合最新的光譜觀測數據和分析，再次確認了關鍵前提依然成立。B型星的質量最可能在5倍至8倍太陽質量之間，相對應的黑洞質量為23至65倍太陽質量。

針對氫發射線輕微擺動問題，他們認為，雖然B型星吸收確實能移動氫發射線，但無法得出氫發射線靜止的結論。

事實上，氫發射線還受到其他多種因素的影響，其中B型星輻射和星風就會造成一種“對沖”B型星吸收的作用。

此外，無論是氫發射線的形狀還是寬度，都不像是產生於雙星系統的周圍環境。

儘管如此，作者團隊認可氫發射線問題要比原先設想的複雜。他們發現，用帕邢發射線能更簡單、更清晰地測量“看不見的天體”的軌道運動。

劉繼峰等介紹道，相關論文已經在籌備中，該研究初步結論是帕邢發射線的峰值點清除地顯示相對於B型星的反相位軌道運動，再次表明是由另一個看不見的天體發出的，而不是雙星系統的周圍環境產生的。

初步計算得到，看得見與看不見天體的質量比例在4.6–8.1之間，與氫發射線測出的結果一致。

劉繼峰團隊的文章同時對德國團隊提出的“剝除外殼”恆星問題作出了回應。他們認為，這種猜測目前尚無觀測支持，且“剝除外殼”恆星的壽命很短，恰好就被撞上的可能性很低。

文章最後提到，這場學術辯論最終的裁判可能是蓋亞望遠鏡。結合該望遠鏡數據和開普勒第三定律，就能算出看得見和看不見天體的質量總和。