北京时间2月19日凌晨 ， 国际学术期刊《科学》杂志和《天体物理学报》的3篇文章联合发布了对历史上发现的第一个恒星级黑洞——天鹅座X1的最新精确测量结果 。
来自澳大利亚、美国和中国的3个科研团队分别独立对黑洞的距离、质量、自旋及其演化作了最为精确的测量和限制 ， 发现此系统包含了一个21倍太阳质量的黑洞 ， 并且其自转速度接近光速 。
这是迄今为止人类发现并确认的唯一一个黑洞质量超过20倍太阳质量且自转如此之快的X射线双星系统 。 其中 ， 中国科学院国家天文台研究员苟利军及学生赵雪杉、郑雪莹为《科学》杂志论文的合作者 ， 并作为第一作者及通讯作者在《天体物理学报》发表关于黑洞自转精确测量的文章 。
目标
瞄准人类历史上发现的首个恒星级黑洞
黑洞一直是宇宙中最神秘的谜团之一 。
一些大质量恒星在核聚变反应燃料耗尽时 ， 内核会急剧坍缩 ， 当其质量大于约3倍太阳质量时 ， 便会坍缩为一个奇点 ， 成为黑洞 。 由于其密度极高、引力超强 ， 即便是光也无法从它身边逃离 。
根据质量的不同 ， 黑洞大致分为恒星级黑洞（100倍太阳质量以下）、中等质量黑洞（100—10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（10万倍太阳质量以上） 。 恒星级黑洞由大质量恒星死亡而形成 ， 在宇宙中广泛存在 。
作为人类历史上发现的第一个黑洞候选体 ， 天鹅座X1是一个X射线双星系统 ， 除了包含能够产生X射线源的致密星之外 ， 还包含一个蓝巨星 。 1964年 ， 这个系统被美国探空火箭首次发现 ， 此后 ， 其中致密天体究竟是黑洞还是中子星的问题一直是高能天体物理研究领域的热点 。
上世纪70年代 ， 物理学家索恩和霍金曾为此问题争论 。 直到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 ， 但对于系统的性质一直缺乏精确的测量 。
2011年 ， 苟利军及其合作者把测量的目标对准了这颗黑洞 。 “一方面因为它是人类历史上发现的第一个恒星级黑洞 ， 最为知名；另外一方面是它距离我们相对比较近 ， 可以利用现有的望远镜做到精确观测 。 ”苟利军说 。
方法
通过测量质量和自转速度来描述黑洞性质
质量、自转速度和电荷是描述黑洞的最基本参数 。 黑洞周围有很多带电粒子 ， 假如黑洞带电 ， 很容易吸附周围其他的异性电荷 ， 最终达到电平衡 。 所以 ， 只需要知道质量和自转速度这两个参数 ， 就可以完整描述黑洞 ， 从而将不同的黑洞区分开来 。
那么 ， 黑洞如此巨大 ， 用什么方法测量它的质量呢？
苟利军介绍 ， 这种方法在天文学当中被称为动力学方法 。 “这个名词听起来很陌生 ， 其实原理挺简单 ， 就是通过围绕黑洞转动的恒星的速度和轨道半径来计算 ， 然后利用开普勒定律来计算 。 ”苟利军说 ， “跟高中物理中测量太阳质量和地球质量的方法 ， 原理上都是一样的 。 当然在具体的观测和之后的数据拟合还是比较复杂 。 ”
相比黑洞的质量测量 ， 其自转速度的测量难度大很多 。
黑洞质量的测量依靠双星系统中伴星的运动 ， 通常彼此相隔几百万千米 ， 对于目前的天文学测量精度而言 ， 在一定距离范围内是可以测量到的 。 然而 ， 自转仅仅影响靠近黑洞视界面大约几百公里的范围 ， 这对于人类目前的测量水平来说 ， 尺度太小、难度太大 ， 只能够通过间接的方式测量 。
“虽然我们现在有了性能强大的望远镜 ， 能够观测到很微弱的宇宙信号 ， 但是这些微弱信号的来源解释具有极大的难度 。 ”苟利军说：“比如 ， 观测到的信号是否都来自于所期待的源 ， 是否存在之前没有留意的因素影响探测到的信号 。 ”
意义
帮助了解黑洞周围的时空特性及其演化史
黑洞测量难度之大 ， 导致苟利军团队的测量过程一波三折 。
2011年 ， 苟利军和合作者对这颗黑洞的性质首次进行精确测量尝试 ， 当时得出的结果是：这个黑洞系统与地球的距离为6067光年 ， 质量为14.8倍的太阳质量 ， 并且发现黑洞的视界面在以72%的光速转动 。 但两年后 ， 欧洲航空局的盖亚卫星发射升空 ， 测量出的天鹅座X1的距离要更远一些 ， 大约为7100光年 。
两次结果差异较大 。 随后 ， 来自澳大利亚的团队对天鹅座X1的距离再次进行测量和确认 。 结合之前的数据 ， 得出天鹅座X1黑洞的最新距离为7240光年 ， 与盖亚卫星给出的距离几乎一致 。
为何会出现这样的偏差？苟利军说：“之前在拟合其距离过程中 ， 我们有一些因素没有考虑 ， 比如喷流产生的效应最后导致的误差 。 考虑了这些误差效应之后 ， 我们最终得到了跟盖亚卫星一致的结果 。 ”
在此基础之上 ， 合作团队重新分析光学数据 ， 发现黑洞质量增加了50% ， 增加到了21倍的太阳质量 ， 这是X射线双星系统中目前唯一一个主星质量超过20倍太阳质量的黑洞X射线双星系统 。 同时 ， 也发现此次测量的黑洞转动更加极端 ， 黑洞视界面正在以至少95%的光速自转 ， 基本接近光速 ， 这也是目前已知的唯一一个如此高速转动的黑洞系统 。
苟利军认为 ， 知道黑洞的质量和自转速度有助于进一步了解它周围的时空特性以及黑洞的演化史 。 “这次我们对天鹅座X1基本参数做了精确测量 ， 之后就可以深入研究这个黑洞的其他性质了 。 此外 ， 我们还有能力对恒星的演化作出精确限制 ， 还可以与其他黑洞系统做比较 ， 比如引力波发现的黑洞自转很多没有转动或者转动很小 ， 这很可能说明引力波所发现的黑洞经历了不一样的演化过程 ， 这也是未来需要深入研究的一个课题 。 ”
苟利军表示 ， 黑洞性质的精细研究一直是团队的重点研究课题 。 “在目前确认的20多个黑洞系统中 ， 我们已经对其中10多个黑洞系统作了完整测量 ， 但是一些系统的测量精度还不是很高 ， 我们在未来也希望借助多波段的手段对于其中的一些作出更精确的测量 。 ”
【责任编辑：朱幸宇】
【光速|首个恒星级黑洞精确测量结果发布：21倍太阳质量、自转速度接近光速】来源： 人民日报
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