旋转速度接近光速！首次精确测量恒星黑洞的结果发布
天鹅座X1系统的想象。个人资料图片
北京时间2月19日凌晨，国际学术期刊《科学》和《天体物理学报》发表的三篇文章共同发布了历史上发现的第一个恒星黑洞——天鹅座X1的最新精确测量结果。
来自澳大利亚、美国和中国的三个科研团队对黑洞的距离、质量、自旋和演化进行了独立的测量和限制，发现系统中包含一个质量是太阳21倍的黑洞，其自转速度接近光速。
这是迄今为止人类发现并证实的唯一一个黑洞质量超过太阳20倍且自转如此之快的X射线双星系统。其中，中国科学院国家天文台研究员勾立军和学生赵学山、郑是《科学》杂志论文的合作者，并作为第一作者和通讯作者，在《天体物理学报》年发表了一篇关于黑洞自转精确测量的文章。
目标指标
瞄准人类历史上发现的第一个恒星黑洞
黑洞一直是宇宙中最神秘的谜团之一。
当核聚变反应的燃料耗尽时，一些大质量恒星的内核会急剧坍缩。当它的质量超过太阳质量的三倍左右时，就会坍缩成奇点，成为黑洞。因为它的密度高，引力强，即使是光也无法逃离它。
根据质量的不同，黑洞大致可以分为恒星黑洞(太阳质量的100倍以下)、中等质量黑洞(太阳质量的1-10万倍)和超大质量黑洞(太阳质量的10万倍以上)。恒星黑洞是由大质量恒星死亡形成的，广泛存在于宇宙中。
作为人类历史上发现的第一个黑洞候选者，天鹅座X1是一个X射线双星系统，其中不仅包含一颗能够产生X射线源的致密恒星，还包含一颗蓝色巨人。1964年，这个系统首次被美国探空火箭发现。此后，致密天体是黑洞还是中子星一直是高能天体物理研究领域的热点。
20世纪70年代，物理学家索恩和霍金就这个问题展开了争论。直到20世纪90年代，越来越多的观测证据表明，系统的中心应该是一个黑洞，但缺乏对系统性质的准确测量。
2011年，勾立军和他的合作者将他们的测量目标对准了这个黑洞。“一方面，因为它是人类历史上发现的第一个恒星黑洞，所以是最著名的；另一方面，它离我们比较近，可以用现有的望远镜精确观测。”苟丽君说。
方法
黑洞的性质是通过测量质量和转速来描述的
质量、转速和电荷是描述黑洞最基本的参数。黑洞周围有许多带电粒子。如果黑洞带电，很容易吸收周围其他相反的电荷，最终达到电平衡。因此，我们只需要知道质量和转速这两个参数，就可以完整地描述黑洞，从而区分不同的黑洞。
那么，黑洞这么大，怎么测量它的质量呢？
勾立君介绍说，这种方法在天文学上叫动态法。“这个术语听起来很奇怪。其实原理挺简单的。它是通过恒星绕黑洞旋转的速度和轨道半径计算出来的，然后用开普勒定律计算出来的。”勾立君说：“原理和高中物理测量太阳质量和地球质量是一样的。当然，具体的观测和后续的数据拟合还是比较复杂的。”
与黑洞的质量测量相比，测量其转速要困难得多。
黑洞质量的测量依赖于双星系统中伴星的运动，它们通常相距几百万公里。对于目前的天文测量精度，可以在一定的距离范围内进行测量。但自转只影响黑洞可视界面附近几百公里的范围，太小，目前人类测量难度大，只能间接测量。
“虽然我们现在有了一个强大的望远镜，可以观察到非常微弱的宇宙信号，但要解释这些微弱信号的来源是极其困难的。”齐立军说：“比如观察到的信号是否都来自预期的来源，是否有之前没有注意到的因素影响到检测到的信号。”
意义和意义
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。”
来源：人民日报 | 作者 吴月辉
编辑：李拓
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