霍金确实是输了!中外科学家精细测量了人类发现的首颗黑洞

天鹅座X1系统想象图 (版权:International Centre for Radio Astronomy Research)

腾讯太空讯 北京时间2月19日凌晨,国际科学期刊《科学》(Science)杂志和《天体物理学报》(Astrophysical Journal)的三篇文章联合发布了对第一个恒星级黑洞——天鹅座X1(Cygnus X-1)的最新精确测量结果。来自澳大利亚、美国和中国的三个团队分别独立对黑洞的距离、质量、自旋及其演化做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,并且其自转速度极接近光速。这是目前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苟利军研究员及学生赵雪杉、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。

图注:天鹅座X-1在天空的位置。

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。自从这个系统在1964年被美国探空火箭首次发现以来,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也为此打赌,还立下了字据。直到上世纪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,霍金才签字表示认赌服输。

图注:霍金签证认输。

尽管霍金已经认输,然而对于这个系统性质一直缺乏精确测量。2011年,苟利军研究员和合作者就对这颗黑洞的性质首次做了一次精确测量的尝试。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。

2013年,欧洲航空局的盖亚(GAIA)卫星发射升空,计划对银河系内的10亿颗恒星的距离进行精确测量,当然也包括天鹅座X1在内的X射线双星。结果,盖亚卫星所给出的天鹅座X1的距离要比之前的距离远一些,大约为7100光年。在刚刚发表在《科学》上的文章中,来自澳大利亚柯廷大学的米勒-琼斯教授所领导的团队,利用美国的甚长基线干涉阵列(VLBA),通过三角视差方法对天鹅座X1的距离再次进行测量和确认。团队把新的观测数据和之前的观测数据相结合,同时消除了天鹅座X1的喷流运动所导致的系统误差效应之后,最终得到了天鹅座X1黑洞的最新距离,这一结果为7240光年,精度达到8%,这个距离和盖亚卫星给出的距离完全一致。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,精度为10%,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。

黑洞自转仅仅影响靠近黑洞视界面大约几百公里的范围,所以需要利用位于此区域的吸积盘所产生的光子能量更高的X射线波段数据来推断。苟利军研究员领导的研究团队结合新得到的距离和质量的测量结果,分析了X射线光谱数据,从而对黑洞的自转速度进行了精确限制,相比之前的测量结果,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,这也是目前已知的唯一一个以如此高速度转动的黑洞系统。这一关于自旋的总结结果也发表在今天上线的《科学》文章上,与此同时,详细的分析过程发表于同时上线的《天体物理学报》上。

系统参数完整并且高精度的测量使得团队可以对此系统的演化过程做出一个更严格的限制。同为《科学》文章合作者的澳大利亚莫纳什大学的曼德尔教授领衔了另外一篇发表在《天体物理学报》上关于恒星演化的文章。这篇文章表明,要想形成如此重量并且转动极快的黑洞,星风损失应该要比之前预计的小好几倍,而此黑洞的前身星重达60倍的太阳质量。

精确的系统参数测量也给我们提供了和引力波所探测到的黑洞进行比较的机会。天鹅座X1的自转极快,这和引力波所发现的黑洞系统表现出完全不同的转动特征,这也意味着此系统很有可能与引力波系统有着完全的不同形成机制。

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