首個恒星級黑洞精確測量結(jié)果發(fā)布：21倍太陽質(zhì)量、自轉(zhuǎn)速度接近光速

天鵝座X1系統(tǒng)想象圖。資料圖片

北京時間2月19日凌晨，國際學術(shù)期刊《科學》雜志和《天體物理學報》的3篇文章聯(lián)合發(fā)布了對歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結(jié)果。

來自澳大利亞、美國和中國的3個科研團隊分別獨立對黑洞的距離、質(zhì)量、自旋及其演化作了最為精確的測量和限制，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)包含了一個21倍太陽質(zhì)量的黑洞，并且其自轉(zhuǎn)速度接近光速。

這是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)并確認的唯一一個黑洞質(zhì)量超過20倍太陽質(zhì)量且自轉(zhuǎn)如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。其中，中國科學院國家天文臺研究員茍利軍及學生趙雪杉、鄭雪瑩為《科學》雜志論文的合作者，并作為第一作者及通訊作者在《天體物理學報》發(fā)表關(guān)于黑洞自轉(zhuǎn)精確測量的文章。

目標

瞄準人類歷史上發(fā)現(xiàn)的首個恒星級黑洞

黑洞一直是宇宙中最神秘的謎團之一。

一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時，內(nèi)核會急劇坍縮，當其質(zhì)量大于約3倍太陽質(zhì)量時，便會坍縮為一個奇點，成為黑洞。由于其密度極高、引力超強，即便是光也無法從它身邊逃離。

根據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞大致分為恒星級黑洞（100倍太陽質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（100—10萬倍太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（10萬倍太陽質(zhì)量以上）。恒星級黑洞由大質(zhì)量恒星死亡而形成，在宇宙中廣泛存在。

作為人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞候選體，天鵝座X1是一個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，還包含一個藍巨星。1964年，這個系統(tǒng)被美國探空火箭首次發(fā)現(xiàn)，此后，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。

上世紀70年代，物理學家索恩和霍金曾為此問題爭論。直到90年代，越來越多的觀測證據(jù)表明這個系統(tǒng)中心應(yīng)該是黑洞，但對于系統(tǒng)的性質(zhì)一直缺乏精確的測量。

2011年，茍利軍及其合作者把測量的目標對準了這顆黑洞。“一方面因為它是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞，最為知名；另外一方面是它距離我們相對比較近，可以利用現(xiàn)有的望遠鏡做到精確觀測?！逼埨娬f。

方法

通過測量質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度來描述黑洞性質(zhì)

質(zhì)量、自轉(zhuǎn)速度和電荷是描述黑洞的最基本參數(shù)。黑洞周圍有很多帶電粒子，假如黑洞帶電，很容易吸附周圍其他的異性電荷，最終達到電平衡。所以，只需要知道質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度這兩個參數(shù)，就可以完整描述黑洞，從而將不同的黑洞區(qū)分開來。

那么，黑洞如此巨大，用什么方法測量它的質(zhì)量呢？

茍利軍介紹，這種方法在天文學當中被稱為動力學方法?！斑@個名詞聽起來很陌生，其實原理挺簡單，就是通過圍繞黑洞轉(zhuǎn)動的恒星的速度和軌道半徑來計算，然后利用開普勒定律來計算?！逼埨娬f，“跟高中物理中測量太陽質(zhì)量和地球質(zhì)量的方法，原理上都是一樣的。當然在具體的觀測和之后的數(shù)據(jù)擬合還是比較復(fù)雜?！?/p>

相比黑洞的質(zhì)量測量，其自轉(zhuǎn)速度的測量難度大很多。

黑洞質(zhì)量的測量依靠雙星系統(tǒng)中伴星的運動，通常彼此相隔幾百萬千米，對于目前的天文學測量精度而言，在一定距離范圍內(nèi)是可以測量到的。然而，自轉(zhuǎn)僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公里的范圍，這對于人類目前的測量水平來說，尺度太小、難度太大，只能夠通過間接的方式測量。

“雖然我們現(xiàn)在有了性能強大的望遠鏡，能夠觀測到很微弱的宇宙信號，但是這些微弱信號的來源解釋具有極大的難度?！逼埨娬f：“比如，觀測到的信號是否都來自于所期待的源，是否存在之前沒有留意的因素影響探測到的信號?！?/p>

意義

幫助了解黑洞周圍的時空特性及其演化史

黑洞測量難度之大，導(dǎo)致茍利軍團隊的測量過程一波三折。

2011年，茍利軍和合作者對這顆黑洞的性質(zhì)首次進行精確測量嘗試，當時得出的結(jié)果是：這個黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質(zhì)量為14.8倍的太陽質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉(zhuǎn)動。但兩年后，歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星發(fā)射升空，測量出的天鵝座X1的距離要更遠一些，大約為7100光年。

兩次結(jié)果差異較大。隨后，來自澳大利亞的團隊對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。結(jié)合之前的數(shù)據(jù)，得出天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年，與蓋亞衛(wèi)星給出的距離幾乎一致。

為何會出現(xiàn)這樣的偏差？茍利軍說：“之前在擬合其距離過程中，我們有一些因素沒有考慮，比如噴流產(chǎn)生的效應(yīng)最后導(dǎo)致的誤差?？紤]了這些誤差效應(yīng)之后，我們最終得到了跟蓋亞衛(wèi)星一致的結(jié)果。”

在此基礎(chǔ)之上，合作團隊重新分析光學數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑洞質(zhì)量增加了50%，增加到了21倍的太陽質(zhì)量，這是X射線雙星系統(tǒng)中目前唯一一個主星質(zhì)量超過20倍太陽質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。同時，也發(fā)現(xiàn)此次測量的黑洞轉(zhuǎn)動更加極端，黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉(zhuǎn)，基本接近光速，這也是目前已知的唯一一個如此高速轉(zhuǎn)動的黑洞系統(tǒng)。

茍利軍認為，知道黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度有助于進一步了解它周圍的時空特性以及黑洞的演化史?！斑@次我們對天鵝座X1基本參數(shù)做了精確測量，之后就可以深入研究這個黑洞的其他性質(zhì)了。此外，我們還有能力對恒星的演化作出精確限制，還可以與其他黑洞系統(tǒng)做比較，比如引力波發(fā)現(xiàn)的黑洞自轉(zhuǎn)很多沒有轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)動很小，這很可能說明引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞經(jīng)歷了不一樣的演化過程，這也是未來需要深入研究的一個課題。”

茍利軍表示，黑洞性質(zhì)的精細研究一直是團隊的重點研究課題?！霸谀壳按_認的20多個黑洞系統(tǒng)中，我們已經(jīng)對其中10多個黑洞系統(tǒng)作了完整測量，但是一些系統(tǒng)的測量精度還不是很高，我們在未來也希望借助多波段的手段對于其中的一些作出更精確的測量?！?/p>

作者：吳月輝