霍金曾因它賭輸 史上首個(gè)恒星級(jí)黑洞被精確測(cè)量

霍金曾因它賭輸 史上首個(gè)恒星級(jí)黑洞被精確測(cè)量

◎本報(bào)記者 陸成寬

X射線雙星系統(tǒng)天鵝座X1是不是黑洞？霍金曾說，它不是！為此，他還專門與人打賭。

2月19日，《科學(xué)》雜志和《天體物理學(xué)報(bào)》上線的三篇文章聯(lián)合發(fā)布了對(duì)歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)恒星級(jí)黑洞——天鵝座X1的最新精確測(cè)量結(jié)果。來自澳大利亞、美國(guó)和中國(guó)的三個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立對(duì)黑洞天鵝座X1的距離、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)及其演化做了最為精確的測(cè)量和限制，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)包含了一個(gè)21倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，并且其自轉(zhuǎn)速度極快接近光速。這是迄今發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的唯一一個(gè)黑洞質(zhì)量超過20倍太陽(yáng)質(zhì)量且自轉(zhuǎn)如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。

天鵝座X1是一個(gè)X射線雙星系統(tǒng)，除了包含能夠產(chǎn)生X射線源的致密星之外，還包含一個(gè)藍(lán)巨星?！白詮倪@個(gè)系統(tǒng)在1964年被美國(guó)探空火箭首次發(fā)現(xiàn)以來，其中致密天體究竟是黑洞還是中子星的問題一直是高能天體物理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍說。

對(duì)致密天體究竟是黑洞還是中子星，上世紀(jì)70年代，物理學(xué)家索恩和霍金還專門打賭，并立下字據(jù)。直到上世紀(jì)90年代，越來越多的觀測(cè)證據(jù)表明這個(gè)系統(tǒng)中心應(yīng)該是黑洞，霍金才簽字表示認(rèn)賭服輸。

盡管霍金已經(jīng)認(rèn)輸，然而對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的性質(zhì)一直缺乏精確的測(cè)量。2011年，茍利軍研究員和合作者就對(duì)這顆黑洞的性質(zhì)首次做了一次精確測(cè)量的嘗試。當(dāng)時(shí)得出的結(jié)果是：這個(gè)黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質(zhì)量為14.8倍的太陽(yáng)質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2013年，歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星發(fā)射升空，計(jì)劃對(duì)銀河系內(nèi)的10億顆恒星的距離進(jìn)行精確測(cè)量，當(dāng)然也包括天鵝座X1在內(nèi)的X射線雙星。結(jié)果，蓋亞衛(wèi)星所給出的天鵝座X1的距離要比之前的距離遠(yuǎn)一些，大約為7100光年。

澳大利亞柯廷大學(xué)教授米勒-瓊斯所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，利用美國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉陣列，通過三角視差方法對(duì)天鵝座X1的距離再次進(jìn)行測(cè)量和確認(rèn)。團(tuán)隊(duì)把新的觀測(cè)數(shù)據(jù)和之前的觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，同時(shí)消除了天鵝座X1的噴流運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差效應(yīng)之后，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離，這一結(jié)果為7240光年，精度達(dá)到8%，這個(gè)距離和蓋亞衛(wèi)星給出的距離完全一致。

在此基礎(chǔ)之上，合作團(tuán)隊(duì)重新分析光學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑洞質(zhì)量增加了50%，增加到了21倍的太陽(yáng)質(zhì)量，精度為10%，這是X射線雙星系統(tǒng)中目前唯一一個(gè)主星質(zhì)量超過20倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。

結(jié)合新得到的距離和質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果，我國(guó)天文學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)分析了X射線光譜數(shù)據(jù)，從而對(duì)黑洞的自轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了精確限制，相比之前的測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此次測(cè)量的黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)更加極端，黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉(zhuǎn)，這也是目前已知的唯一一個(gè)以如此高速度轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞系統(tǒng)。

系統(tǒng)參數(shù)完整并且高精度的測(cè)量使得研究人員可以對(duì)此系統(tǒng)的演化過程做出一個(gè)更嚴(yán)格的限制。澳大利亞莫納什大學(xué)教授曼德爾的研究顯示，要想形成如此重量并且轉(zhuǎn)動(dòng)極快的黑洞，星風(fēng)損失應(yīng)該要比之前預(yù)計(jì)的小好幾倍，而此黑洞的前身星可能重達(dá)60倍的太陽(yáng)質(zhì)量。

茍利軍表示，精確的系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量也給我們提供了和引力波所探測(cè)到的黑洞進(jìn)行比較的機(jī)會(huì)。天鵝座X1的自轉(zhuǎn)極快，這和引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞系統(tǒng)表現(xiàn)出完全不同的轉(zhuǎn)動(dòng)特征，這也意味著此系統(tǒng)很有可能與引力波系統(tǒng)有著完全的不同形成機(jī)制。