讓霍金“認賭服輸”的黑洞揭開面紗：自轉(zhuǎn)接近光速！

天鵝座X1系統(tǒng)想象圖(國家天文臺供圖)

人民網(wǎng)北京2月19日電 (趙竹青)北京時間2月19日凌晨，國際科學期刊《科學》(Science)雜志和《天體物理學報》(Astrophysical Journal)的三篇文章聯(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(Cygnus X-1)的最新精確測量結(jié)果。

來自澳大利亞、美國和中國(中國科學院國家天文臺茍利軍研究員牽頭)的三個團隊分別獨立對黑洞的距離、質(zhì)量、自旋及其演化做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)速度極接近光速。這是迄今發(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茍利軍研究員及學生趙雪杉、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)表系列中關于黑洞自轉(zhuǎn)精確測量的文章。

據(jù)了解，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。自從這個系統(tǒng)在1964年被美國探空火箭首次發(fā)現(xiàn)以來，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域的熱點。

上世紀70年代，物理學家索恩和霍金也為此打賭，還立下了字據(jù)。直到上世紀90年代，越來越多的觀測證據(jù)表明這個系統(tǒng)中心應該是黑洞，霍金才簽字表示認賭服輸。

盡管霍金已經(jīng)認輸，然而對于這個系統(tǒng)的性質(zhì)一直缺乏精確的測量。2011年，茍利軍研究員和合作者就對這顆黑洞的性質(zhì)首次做了一次精確測量的嘗試。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。

2013年，歐洲航空局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃對銀河系內(nèi)的10億顆恒星的距離進行精確測量，當然也包括天鵝座X1在內(nèi)的X射線雙星。結(jié)果，蓋亞衛(wèi)星所給出的天鵝座X1的距離要比之前的距離遠一些，大約為7100光年。在剛剛發(fā)表在《科學》上的文章中，來自澳大利亞柯廷大學的米勒-瓊斯教授所領導的團隊，利用美國的甚長基線干涉陣列(VLBA)，通過三角視差方法對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。

團隊把新的觀測數(shù)據(jù)和之前的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，同時消除了天鵝座X1的噴流運動所導致的系統(tǒng)誤差效應之后，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離，這一結(jié)果為7240光年，精度達到8%，這個距離和蓋亞衛(wèi)星給出的距離完全一致。在此基礎之上，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，精度為10%，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)。

黑洞自轉(zhuǎn)僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公里的范圍，所以需要利用位于此區(qū)域的吸積盤所產(chǎn)生的光子能量更高的X射線波段數(shù)據(jù)來推斷。茍利軍團隊結(jié)合新得到的距離和質(zhì)量的測量結(jié)果，分析了X射線光譜數(shù)據(jù)，從而對黑洞的自轉(zhuǎn)速度進行了精確限制，相比之前的測量結(jié)果，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)，這也是目前已知的唯一一個以如此高速度轉(zhuǎn)動的黑洞系統(tǒng)。

系統(tǒng)參數(shù)完整并且高精度的測量使得團隊可以對此系統(tǒng)的演化過程做出一個更嚴格的限制。同為《科學》文章合作者的澳大利亞莫納什大學的曼德爾教授領銜了另外一篇發(fā)表在《天體物理學報》上關于恒星演化的文章。這篇文章表明，要想形成如此重量并且轉(zhuǎn)動極快的黑洞，星風損失應該要比之前預計的小好幾倍，而此黑洞的前身星重達60倍的太陽質(zhì)量。

據(jù)了解，精確的系統(tǒng)參數(shù)測量提供了和引力波所探測到的黑洞進行比較的機會。天鵝座X1的自轉(zhuǎn)極快，這和引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞系統(tǒng)表現(xiàn)出完全不同的轉(zhuǎn)動特征，這也意味著此系統(tǒng)很有可能與引力波系統(tǒng)有著完全的不同形成機制。