北京時(shí)間 2 月 19 日消息，北京時(shí)間 2 月 19 日凌晨，國際科學(xué)期刊《科學(xué)》(Science)雜志和《天體物理學(xué)報(bào)》(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(gè)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(xué)院國家天文臺茍利軍研究員牽頭)的三個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)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(gè) 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(rèn)的唯一一個(gè)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(xué)院國家天文臺茍利軍研究員及學(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)表系列中關(guān)于黑洞自轉(zhuǎn)精確測量的文章。
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。自從這個(gè)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(lǐng)域的熱點(diǎn)。上世紀(jì) 70 年代，物理學(xué)家索恩和霍金也為此打賭，還立下了字據(jù)。直到上世紀(jì) 90 年代，越來越多的觀測證據(jù)表明這個(gè)系統(tǒng)中心應(yīng)該是黑洞，霍金才簽字表示認(rèn)賭服輸。
盡管霍金已經(jīng)認(rèn)輸，然而對于這個(gè)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(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)。
2013 年，歐洲航空局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計(jì)劃對銀河系內(nèi)的 10 億顆恒星的距離進(jìn)行精確測量，當(dāng)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(yuǎn)一些，大約為 7100 光年。在剛剛發(fā)表在《科學(xué)》上的文章中，來自澳大利亞柯廷大學(xué)的米勒 - 瓊斯教授所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，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(jìn)行測量和確認(rèn)。團(tuán)隊(duì)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(shí)消除了天鵝座 X1 的噴流運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差效應(yīng)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(dá)到 8%，這個(gè)距離和蓋亞衛(wèi)星給出的距離完全一致。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 倍的太陽質(zhì)量，精度為 10%，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 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。茍利軍研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(dòng)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(gè)以如此高速度轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞系統(tǒng)。詳細(xì)的分析過程發(fā)表在今天上線的《天體物理學(xué)報(bào)》上。同時(shí)，這一關(guān)于自旋的總結(jié)結(jié)果也在今天上線的《科學(xué)》文章中進(jìn)行了闡述。
系統(tǒng)參數(shù)完整并且高精度的測量使得團(tuán)隊(duì)可以對此系統(tǒng)的演化過程做出一個(gè)更嚴(yán)格的限制。同為《科學(xué)》文章合作者的澳大利亞莫納什大學(xué)的曼德爾教授領(lǐng)銜了另外一篇發(fā)表在《天體物理學(xué)報(bào)》上關(guān)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(dòng)極快的黑洞，星風(fēng)損失應(yīng)該要比之前預(yù)計(jì)的小好幾倍，而此黑洞的前身星重達(dá) 60 倍的太陽質(zhì)量。
精確的系統(tǒng)參數(shù)測量也給我們提供了和引力波所探測到的黑洞進(jìn)行比較的機(jī)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(dòng)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(jī)制。
