十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它( 三 )
文章插图
三角视差的展示图｜图片来源：作者自制图
也就是通过测量伴星围绕黑洞运动的速度和伴星与黑洞之间的轨道半径来推断质量。在高中学物理的时候，我们学到过了如何测量太阳的质量，具体的过程就是已知地球的转动速度，以及日地之间的距离，用开普勒定律来推算太阳的质量。
在太阳系中，测量地球或者其它类似天体的质量相对比较简单，然而真正应用于宇宙当中的天体尤其黑洞系统时，会复杂一些。
因为黑洞的强大潮汐力作用，系统当中另外一颗恒星的形状会发生变化，从我们熟悉的球形变成一个鸭梨状，恒星表面温度分布也会发生变化，从而使得科学家们在光学波段所看到的亮度会随着轨道位置的变化而变化。
所以在拟合过程当中，需要建立合理的恒星形状模型，体现恒星表面的温度变化，然而再结合恒星运动轨道的信息，就能够模拟观测到的恒星亮度变化。
另外，恒星在围绕黑洞运动的过程当中，因为多普勒效应，会导致恒星光谱中的特征谱线波长发生变化，通过测定波长的变化，就可以推断出恒星的运动速度，而转动速度在视向上的投影，能形成了视向速度曲线，这也与黑洞和恒星之间的间隔距离相关。
所以，在给定距离的情况下，最终同时拟合观测到的光变曲线和视向速度曲线，就可以给出有关黑洞的质量、伴星恒星的质量、绕转轨道平面相对于视线的倾角，以及彼此相隔的距离等等，从而得到关于黑洞系统动力学的一些基本性质。
文章插图
双星绕转图，可以看到伴星的形状发生了严重变形。｜图片来源：NASA
黑洞质量的测量依靠伴星的运动，因为彼此相隔几百万千米，对于目前的天文学测量精度而言，是可以测量到的级别。
然而自转仅仅影响靠近黑洞视界面大约几百公里的范围，这对于我们目前的测量水平来说，尺度太小、难度太大，目前还无法直接测量，只能够通过间接的方式测量。
这两种测量方法都是建立在美国物理学家巴丁等人的理论基础之上。他们的理论结果表明，一个测试粒子在旋转黑洞周围存在着一个最内稳定轨道。在此轨道之内，粒子不能稳定存在,将很快掉进黑洞当中，而在此半径之外，粒子可以稳定存在。
这个临时半径被称为最内稳定圆轨道，而且巴丁等进一步证明此最内稳定圆轨道和黑洞的自转速度之间存在着单调函数关系，如果知道这两个量中的任何一个，我们就可以知道另外一个量。
所以，在实际的测量当中，我们假设吸积盘的最内半径就是巴丁所说的最内稳定圆轨道的话，就可以利用位于此区域的吸积盘所产生的光子能量更高的X射线波段数据，来推断吸积盘的最内半径的大小，从而推断出黑洞的自转速度。
文章插图
不同自转对于黑洞光谱的影响图｜图片来源:NASA
十年后再次测量，意义何在？
既然天文学家们在2011年已经对这个系统已经进行过一次全面的测量，那么为什么十年后还要重新进行一遍测量工作呢？这主要基于以下两个方面的考虑。
首先，2011年推导出的系统参数和预期中大质量主序星的质量-光度关系是不吻合的。其次，2013年，欧空局的盖亚卫星（Gaia）发射升空，它获得的天鹅座X1的视差距离约为7100光年，和此前射电波段得到的6067光年相差较大。
因此，澳大利亚柯廷大学的米勒·琼斯教授领导的国际科学团队对天鹅座X1的基本性质——如黑洞质量、伴星质量、系统距离、轨道倾角、黑洞自转速度等——进行了重新测量。
同2011年的工作一样，他们在射电波段测定距离，结合2016年新得到的VLBA数据和2011年文章中使用的数据，他们采样了一个完整的轨道周期，同时消除了天鹅座X1的喷流运动所导致的系统误差效应之后，最终得到了天鹅座X1黑洞的最新距离，这一结果为7240光年，精度达到8%，这个距离和盖亚卫星给出的距离完全一致。
在此基础上重新测量得到的黑洞质量约为21倍太阳质量，比之前增加了约43%。这个测量结果还让天鹅座X1获得了一项新的“荣誉”，它的黑洞是X射线黑洞双星中唯一一个质量超过20倍太阳质量的黑洞。
文章插图
美国VLBA阵列图｜图片来源：NRAO
推荐阅读
- 初入职场的我们 《初入职场的我们》郑茹心为什么会离开？
- 哥伦比亚大学 人类是否能够再造个地球环境，进行移民，生物圈2号告诉我们还是洗洗睡吧
- 冯小刚 张国立吐槽夜班累，被观众骂矫情，多年前曾签对赌协议后卖惨
- 国内本科毕业，银行工作8年，怎样去新加坡工作
- 广告 广告太多，口碑下滑，这个陪伴了我们4年的王牌综艺还能坚持多久
- 无限挑战 直接让明星去坐牢？韩国这档综艺实在太猛，我们没办法模仿
- 美国 神舟十二号3位航天员已选定！17国入选中国空间站，美国申请遭拒
- 宇宙 理论上宇宙应存在大量文明，为何却没有文明联系我们，原因是什么？
- 小姐姐 邓伦要上《我们相爱吧》？对方是谁？邓伦回了4个字
- 灿星 2021《中国好声音》十周年音乐盛典（安岳站）巅峰之战圆满举行