國際科學期刊《自然天文》在線發表了一項中國科學院國家天文台和上海交通大學聯合主導的重要研究成果。研究團隊基於國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）以及歐空局的Gaia衛星數據，透過視向速度方法和天體測量方法，在雙星系統中成功發現了一顆位於黑洞質量間隙的小質量黑洞。

近60年來，天文學家基於傳統X射線方法已經證認並測量了20餘顆恆星級黑洞的質量，其質量分佈顯示為缺少3—5倍太陽質量的黑洞，這一區間被稱為黑洞質量間隙。這與黑洞形成理論的預期──小質量黑洞數量遠多於大質量黑洞──大相逕庭。天文學家試圖透過修改超新星爆炸理論來解釋這個質量間隙，也有研究認為超新星爆炸會更容易瓦解包含小質量黑洞的雙星系統，導致了這個觀測效應。儘管近年來雷射干涉重力波天文台（LIGO）的觀測揭示了黑洞質量間隙內存在緻密天體，然而，小質量黑洞是否可以存在於雙星系統中仍然是一個備受爭議的問題。這類系統中的雙星很可能無交互作用（如物質傳輸），因此沒有X射線輻射，但可以透過視向速度和天體測量方法進行搜尋。

圖1：G3425雙星想像圖，包含一顆可見的紅巨星和一顆看不見的小質量恆星級黑洞（王松繪製）。

在這項研究中，科學研究團隊基於LAMOST光譜數據和Gaia的天體測量數據，在雙星系統G3425中發現了一顆小質量恆星級黑洞（圖1）。在這個雙星系統中，可見星為一顆質量約2.7倍太陽質量的紅巨星，而不可見星的質量約為3.6倍太陽質量（3.1到4.4倍太陽質量之間）。光譜分解顯示，除了紅巨星的光譜外，G3425中不包含來自其它成分的光譜，這有力證明了該不可見天體為一顆黑洞，也證明了包含小質量黑洞的雙星系統是可以存在的。結合重力波等方法發現的小質量黑洞系統，研究團隊認為質量間隙可能是單一觀測方法造成的選擇效應。更奇特的是，G3425系統的軌道周期約為880天，軌道橢率接近為0（圖2）。如此寬圓軌道的雙星形成機制對目前的雙星演化和超新星爆炸理論提出了挑戰。

圖2：（a）視向速度資料擬合。 （b）天體測量數據擬合。 （c）G3425與其它恆星級黑洞在質量—軌道周期分佈的比較。

「Gaia天體測量資料分析不僅確認了LAMOST所發現的黑洞，而且給出了雙星軌道的傾角，進而測量到了黑洞的絕對質量，使得我們可以確信它是在質量間隙內的黑洞。這個發現再次證明了視向速度和天體測量的結合可以幫助我們發現包括黑洞和行星在內的大量暗天體，並揭示它們形成與演化的奧秘”，上海交通大學副教授馮發波興奮地說。

這項研究成果得到了兩位審查者的高度評價，他們一致認為：「G3425是一個非常有趣的雙星系統，它的軌道特徵挑戰了雙星演化和超新星爆炸的現有理論」（”The authors have discovered a very interesting new kind of binary system”from Referee #1;”The low mass as well as the wide but circular orbit make this an interesting system， because it challenges current theories of binary evolution and ernary

中國科學院國家天文台王松副研究員是這篇論文的共同第一作者和通訊作者。上海交通大學馮發波教授和中國科學院國家天文台劉繼峰研究員為此論文的共同通訊作者。中國科學院大學博士研究生趙欣林是這篇論文的共同第一作者。這項研究還包括來自中國科學院國家天文台、中國科學院雲南天文台、南京大學等多家機構的其他天文學家。

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