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十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它( 二 )


天鹅座X1除了能够产生X射线的致密天体之外，还包含一个大质量伴星HDE 226868。HDE 226868是一颗光谱型为O型的蓝超巨星，以5.6天的轨道周期绕着一个看不见（这说明它不像普通恒星那样由核反应供能）的伴星运转。
随后乌呼鲁卫星（Uhuru）的观测揭示了它神秘的光谱特征——它在100毫秒的时间尺度上表现出明显的X射线强度波动，意味着这个X射线信号来源于一个较小的发射区域。
十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它
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Cyg X-1的光学观测和想象图｜图片来源：NASA
但是在随后的十多年里，对于天鹅座X1的本质——究竟致密天体是黑洞还是中子星，天文学家们一直众说纷纭。
20世纪70年代的时候，作为黑洞研究的知名物理学家霍金和索恩甚至为此而打赌立下了字据，霍金认为应该是中子星，而索恩认为是黑洞。
到了上世纪90年代，越来越多的观测证据表明，这个系统中心应该是黑洞，霍金才签字表示认赌服输。
十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它
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霍金和索恩打赌认输签字图
尽管霍金已经认输，然而在发现这一系统40多年之后，仍有许多问题等待科学家解答。比如，距离。距离是了解一个系统最基本的特征参数。但直到2009年的时候，我们仍无法精确测量它与地球之间的距离，当时只能确定其变化范围在3588光年到8154光年之间。
距离的不确定也因此影响了质量的测量，因此也无法确定这颗中心黑洞的精确质量。当时认为这颗黑洞质量在2.7倍太阳质量到10.6倍的太阳质量之间。
这个质量在很大程度上超过了中子星的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫（Tolman-Oppenheimer-Volkoff，简称为TOV ）质量极限——3倍太阳质量，所以基本上确认中心致密天体就是黑洞。
就黑洞而言，它可以说是宇宙中最为简单的一类天体。从物理上而言，只需要三个参数（质量，自转和电荷）就可以完整的描述黑洞。
也就是说，只需要知道这几个参数，就可以将不同的黑洞区分开来。这也就意味着我们地球上的不同物品，不管是桌子还是手机，当它掉入到黑洞中的时候，形状以及组成材质的信息统统就在黑洞当中消失了，最终只可能保留质量等信息。
不过对于天文学中的黑洞更为简单一些，因为处于星际空间的黑洞周围通常都会有星际介质存在，也就是会有自由电荷存在，加入黑洞带电，那么肯定很容易达到电平衡，所以，其实只需要“质量”和“自旋”两个量就可以完整地描述一个天文学当中的黑洞。
作为历史上发现的第一个恒星级黑洞系统，除了质量的测量之外，天文学家还想对黑洞的自转速度做一个测量，从而对于它做一个完整描述。这将是天文学家深入研究其系统的基础。
但由于当时观测精度和测量手段的限制，科学家们一直无法对这个系统的基本性质进行精确的测量。
【 十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它】直到2011年，苟利军和他的合作者们发表了一系列论文，对天鹅座X1的系统参数首次进行了全面而精确的测量。
他们通过三角视差方法，利用VLBA数据对源距离进行测量，然后通过光学波段伴星的光变曲线和视向速度曲线拟合得到了黑洞质量、伴星质量等系统参数，这种测量黑洞质量的方法也被称为动力学方法。
然后通过拟合钱德拉X射线数据测量黑洞吸积盘最内半径的位置，进而测定黑洞自旋参数。他们得出的测量结果是：天鹅座X1距离我们约6067光年（等价于1.86千秒差距），其中包含一个14.8倍太阳质量、以72%的光速转动的克尔黑洞。
天体测量方法大揭秘
通常而言，是指通过两个不同位置，测量某个天体相对于遥远背景的视线角度变化，然后在已知两个位置距离的情况下，就可以通过求解三角函数得到测量者到物体之间的距离。这种方法是最古老也是目前被认为测量距离最为可靠的方法之一。
距今将近2500年的古希腊天文学家和数学家阿里斯塔克斯就利用类似方法测量了地月之间的距离。不过，由于距离越远，物体对于视线变化所张开的角度变化就越小，会导致测量难度不断加大。
因此这种方法多应用于一些临近天体的距离测量中。
之所以能够利用地面上的望远镜对于天鹅座X1的距离进行测量，也是因为分布于美国10个地点的望远镜，能够通过干涉方式形成一个直径几千公里的虚拟望远镜，从而可以分辨出微小的角度变化。
这种技术和2017年拍摄黑洞照片的望远镜所使用的技术一致。

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