瞄準(zhǔn)人類歷史上發(fā)現(xiàn)的首個(gè)恒星級(jí)黑洞 眉眼更清晰

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2月19日，中外科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了對(duì)天鵝座X1的最新精確測(cè)量結(jié)果，這是人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)恒星級(jí)黑洞。此系統(tǒng)包含了一個(gè)21倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，自轉(zhuǎn)速度接近光速。這是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的唯一一個(gè)黑洞質(zhì)量超過(guò)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)，該發(fā)現(xiàn)有助于進(jìn)一步了解黑洞周圍的時(shí)空特性及其演化史。

北京時(shí)間2月19日凌晨，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志和《天體物理學(xué)報(bào)》的3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(lái)自澳大利亞、美國(guó)和中國(guó)的3個(gè)科研團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立對(duì)黑洞的距離、質(zhì)量、自旋及其演化作了最為精確的測(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)速度接近光速。

這是迄今為止人類發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的唯一一個(gè)黑洞質(zhì)量超過(guò)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)。其中，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員茍利軍及學(xué)生趙雪杉、鄭雪瑩為《科學(xué)》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(xué)報(bào)》發(fā)表關(guān)于黑洞自轉(zhuǎn)精確測(cè)量的文章。

目標(biāo)

瞄準(zhǔn)人類歷史上發(fā)現(xiàn)的首個(gè)恒星級(jí)黑洞

黑洞一直是宇宙中最神秘的謎團(tuán)之一。

一些大質(zhì)量恒星在核聚變反應(yīng)燃料耗盡時(shí)，內(nèi)核會(huì)急劇坍縮，當(dāng)其質(zhì)量大于約3倍太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，便會(huì)坍縮為一個(gè)奇點(diǎn)，成為黑洞。由于其密度極高、引力超強(qiáng)，即便是光也無(wú)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(jí)黑洞(100倍太陽(yáng)質(zhì)量以下)、中等質(zhì)量黑洞(100—10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量)和超大質(zhì)量黑洞(10萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上)。恒星級(jí)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(gè)黑洞候選體，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。1964年，這個(gè)系統(tǒng)被美國(guó)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(wèn)題一直是高能天體物理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

上世紀(jì)70年代，物理學(xué)家索恩和霍金曾為此問(wèn)題爭(zhēng)論。直到90年代，越來(lái)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，但對(duì)于系統(tǒng)的性質(zhì)一直缺乏精確的測(cè)量。

2011年，茍利軍及其合作者把測(cè)量的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)了這顆黑洞。“一方面因?yàn)樗侨祟悮v史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)恒星級(jí)黑洞，最為知名;另外一方面是它距離我們相對(duì)比較近，可以利用現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡做到精確觀測(cè)。”茍利軍說(shuō)。

方法

通過(guò)測(cè)量質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度來(lái)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(dá)到電平衡。所以，只需要知道質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度這兩個(gè)參數(shù)，就可以完整描述黑洞，從而將不同的黑洞區(qū)分開(kāi)來(lái)。

那么，黑洞如此巨大，用什么方法測(cè)量它的質(zhì)量呢?

茍利軍介紹，這種方法在天文學(xué)當(dāng)中被稱為動(dòng)力學(xué)方法。“這個(gè)名詞聽(tīng)起來(lái)很陌生，其實(shí)原理挺簡(jiǎn)單，就是通過(guò)圍繞黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的恒星的速度和軌道半徑來(lái)計(jì)算，然后利用開(kāi)普勒定律來(lái)計(jì)算。”茍利軍說(shuō)，“跟高中物理中測(cè)量太陽(yáng)質(zhì)量和地球質(zhì)量的方法，原理上都是一樣的。當(dāng)然在具體的觀測(cè)和之后的數(shù)據(jù)擬合還是比較復(fù)雜。”

相比黑洞的質(zhì)量測(cè)量，其自轉(zhuǎn)速度的測(cè)量難度大很多。

黑洞質(zhì)量的測(cè)量依靠雙星系統(tǒng)中伴星的運(yùn)動(dòng)，通常彼此相隔幾百萬(wàn)千米，對(duì)于目前的天文學(xué)測(cè)量精度而言，在一定距離范圍內(nèi)是可以測(cè)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(duì)于人類目前的測(cè)量水平來(lái)說(shuō)，尺度太小、難度太大，只能夠通過(guò)間接的方式測(cè)量。

“雖然我們現(xiàn)在有了性能強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，能夠觀測(cè)到很微弱的宇宙信號(hào)，但是這些微弱信號(hào)的來(lái)源解釋具有極大的難度。”茍利軍說(shuō)：“比如，觀測(cè)到的信號(hào)是否都來(lái)自于所期待的源，是否存在之前沒(méi)有留意的因素影響探測(cè)到的信號(hào)。”

意義

幫助了解黑洞周圍的時(shí)空特性及其演化史

黑洞測(cè)量難度之大，導(dǎo)致茍利軍團(tuán)隊(duì)的測(cè)量過(guò)程一波三折。

2011年，茍利軍和合作者對(duì)這顆黑洞的性質(zhì)首次進(jìn)行精確測(cè)量嘗試，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)。但兩年后，歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星發(fā)射升空，測(cè)量出的天鵝座X1的距離要更遠(yuǎn)一些，大約為7100光年。

兩次結(jié)果差異較大。隨后，來(lái)自澳大利亞的團(tuán)隊(duì)對(duì)天鵝座X1的距離再次進(jìn)行測(cè)量和確認(rèn)。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(huì)出現(xiàn)這樣的偏差?茍利軍說(shuō)：“之前在擬合其距離過(guò)程中，我們有一些因素沒(méi)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(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，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(guò)20倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。同時(shí)，也發(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)，基本接近光速，這也是目前已知的唯一一個(gè)如此高速轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞系統(tǒng)。

茍利軍認(rèn)為，知道黑洞的質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度有助于進(jìn)一步了解它周圍的時(shí)空特性以及黑洞的演化史。“這次我們對(duì)天鵝座X1基本參數(shù)做了精確測(cè)量，之后就可以深入研究這個(gè)黑洞的其他性質(zhì)了。此外，我們還有能力對(duì)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(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)很小，這很可能說(shuō)明引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞經(jīng)歷了不一樣的演化過(guò)程，這也是未來(lái)需要深入研究的一個(gè)課題。”

茍利軍表示，黑洞性質(zhì)的精細(xì)研究一直是團(tuán)隊(duì)的重點(diǎn)研究課題。“在目前確認(rèn)的20多個(gè)黑洞系統(tǒng)中，我們已經(jīng)對(duì)其中10多個(gè)黑洞系統(tǒng)作了完整測(cè)量，但是一些系統(tǒng)的測(cè)量精度還不是很高，我們?cè)谖磥?lái)也希望借助多波段的手段對(duì)于其中的一些作出更精確的測(cè)量。”(吳月輝)

關(guān)鍵詞： 恒星 黑洞 眉眼