揭秘｜這個史上著名黑洞是怎樣被再次測量的？

2月19日，來自澳大利亞、美國和中國的科學家聯合發佈了對天鵝座X1的最新研究結果，三篇論文分別在國際頂級學術期刊《科學》和《天體物理學報》上發表。在重新進行高精度的天體測量後，天鵝座X1距地球的距離被精確限定到約7240光年，該系統中黑洞的質量約為21倍的太陽質量，並以至少95%倍光速的速度在自轉。值得一提的是，天鵝座X1是人類發現的第一個恆星級黑洞。

天文學中，觀測的對象往往十分遙遠，或者十分巨大，要實現對它們的精確測量是非常困難的。我們無法像稱量一個皮球一樣，將天體拿來放在秤上直接稱重，也無法舉着皮尺測算天體和我們的距離，但是科學家們還是有辦法的。他們竟然測量出瞭如此遙遠的天體的重量、轉速、與地球之間的距離，而且這天體是連光都無法逃脱的黑洞！科學家們是如何做到的呢？

來自中國科學院國家天文台的苟利軍研究員、博士研究生趙雪杉等是這項研究的中國合作者。今天，北京客户端特約他們就這項研究向讀者作科普解讀。

天鵝座X1雙星系統示意圖。圖片來源：ICRAR

問：對於普通讀者來説，黑洞是一個十分神秘的存在。能否簡單介紹一下黑洞提出和發現的過程？

答：1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，幾個月之後，身處德國戰場的施瓦西在對愛因斯坦場方程做了球形近似之後，就得到了場方程的精確解，這個解體現了一個沒有轉動的黑洞，這就是我們現在所稱的施瓦西黑洞。在我們所瞭解的真實宇宙中，幾乎所有的天體都有角動量，都是處於轉動狀態，所以大家並不相信施瓦西得到的這個沒有轉動的解真實存在。

在接下來的幾十年中，因為戰爭不斷，相關天文觀測十分匱乏。而在理論方面，美籍猶太裔物理學家奧本海默和他的學生在20世紀30年代末期作出了僅有的發現：大質量恆星最後死亡的時候，假如是球對稱坍縮，那麼，最後會形成一個奇點，這就是我們所説的黑洞。球對稱是一種理想情形，在現實中很多時候並不會發生。當時科學家並不知道非球對稱是否也會坍縮形成奇點。

可以説，在廣義相對論提出之後的40年內，黑洞的實驗觀測和理論研究都沒什麼大的進展。所以，在1955年愛因斯坦去世之前，他並不相信黑洞這種天體能夠在宇宙中真實存在，即使是他自己提出的理論預言了黑洞的存在。

直到20世紀60年代，黑洞理論和觀測方面終於迎來了雙重突破。

在理論方面，1963年，新西蘭數學家羅伊·克爾得到了旋轉黑洞的精確解。1965年，英國牛津大學物理學家彭羅斯將奧本海默和他學生髮現的理論拓展到了非球對稱的情形，從而在理論上證明了黑洞在宇宙中可以形成並且存在，這也是彭羅斯最終在2020年獲得諾貝爾物理學獎的重要原因。

在觀測方面，1963年，荷蘭天文學家馬爾滕·施密特利用海爾望遠鏡觀測得到射電源3C273的光譜，證認出其中的寬發射線實際上是紅移後氫的巴爾末線和電離氧的譜線，從而確認類星體產生於一塊非常緻密並且高速運動的區域。

這之後不久，1964年，蘇聯理論天文學家雅可夫·澤爾多維奇和伊戈爾·德米特里耶維奇·諾維科夫，以及奧地利-澳大利亞-美國天文學家埃德温·薩佩特分別推測，類星體可能是由吸積氣體的超大質量黑洞驅動的。就在同一年，天鵝座X1作為恆星級黑洞的候選體也被偶然探測到了。

問：據説天鵝座黑洞是史上十分著名的黑洞，能否簡單介紹一下有關它的一些情況？

答：從黑洞研究的歷史角度來看，天鵝座X1的發現具有重要意義。天鵝座X1是天鵝座內發現的第一顆X射線雙星系統，也是人類歷史上發現的第一個恆星級黑洞雙星系統（這一系統包含一顆黑洞和一顆恆星）。它在1964年由美國發射的探空火箭首次發現，是賈科尼領導的團隊在為阿波羅登月計劃服務過程中的偶然發現。

天鵝座X1除了能夠產生X射線的緻密天體之外，還包含一個大質量伴星HDE 226868。HDE 226868是一顆光譜型為O型的藍超巨星，以5.6天的軌道週期繞着一個看不見（這説明它不像普通恆星那樣由核反應供能）的物體運轉。隨後烏呼魯衞星的觀測揭示了它神秘的光譜特徵——它在100毫秒的時間尺度上表現出明顯的X射線強度波動，意味着這個X射線信號來源於一個較小的發射區域。

但是在隨後的十多年裏，對於天鵝座X1的本質——究竟緻密天體是黑洞還是中子星，天文學家們一直眾説紛紜。20世紀70年代的時候，作為黑洞研究的知名物理學家霍金和索恩甚至為此而打賭立下了字據，霍金認為應該是中子星，而索恩認為是黑洞。到了上世紀90年代，越來越多的觀測證據表明，這個系統中心應該是黑洞，霍金才簽字表示認賭服輸。

霍金和索恩打賭認輸簽字圖。

儘管霍金已經認輸，但在發現這一系統40多年之後，仍有許多問題等待科學家解答。比如説距離。距離是瞭解一個系統最基本的特徵參數。但直到2009年時，我們仍無法精確測量它與地球之間的距離，當時只能確定其變化範圍在3588光年到8154光年之間。

距離的不確定也影響了質量的測量，因此也無法確定這顆中心黑洞的精確質量。當時認為這顆黑洞質量在2.7倍太陽質量到10.6倍的太陽質量之間。這個質量在很大程度上超過了中子星的托爾曼-奧本海默-沃爾科夫質量極限——3倍太陽質量，所以基本上確認中心緻密天體就是黑洞。

就黑洞而言，它可以説是宇宙中最為簡單的一類天體。從物理上而言，只需要三個參數（質量、自轉和電荷）就可以完整地描述黑洞。我們地球上的不同物品，不管是桌子還是手機，當它掉入到黑洞中的時候，形狀以及組成材質的信息統統就在黑洞當中消失了，最終只可能保留質量等信息。

作為歷史上發現的第一個恆星級黑洞系統，除了質量的測量之外，天文學家還想對黑洞的自轉速度做一個測量，從而對它做一個完整描述。這將是天文學家深入研究其系統的基礎。但由於當時觀測精度和測量手段的限制，科學家們一直無法對這個系統的基本性質進行精確的測量。直到2011年，苟利軍和他的合作者們發表了一系列論文，對天鵝座X1的系統參數首次進行了全面而精確的測量。而此次測量是事隔10年以後，利用一些新的觀測數據，對天鵝座X1系統進行的再次測量。

問：關於天體的距離和質量是怎樣測量的，一定涉及很多十分艱深的知識，普通讀者難以理解。能否用最簡單的語言，提示一下其中的基本道理？

答：用最簡單的話説，測量距離時使用的是三角視差方法。

通常而言，是指通過兩個不同位置，測量某個天體相對於遙遠背景的視線角度變化，然後在已知兩個位置距離的情況下，就可以通過求解三角函數得到測量者到物體之間的距離。這種方法是最古老也是目前被認為測量距離最為可靠的方法之一。距今將近2500年的古希臘天文學家和數學家阿里斯塔克斯就利用類似方法測量了地月之間的距離。不過，由於距離越遠，物體對於視線變化所張開的角度變化就越小，會導致測量難度不斷加大。因此這種方法多應用於一些臨近天體的距離測量中。

之所以能夠利用地面上的望遠鏡對天鵝座X1的距離進行測量，也是因為分佈於美國10個地點的望遠鏡，能夠通過干涉方式形成一個直徑幾千公里的虛擬望遠鏡，從而可以分辨出微小的角度變化。這種技術和2017年拍攝黑洞照片的望遠鏡所使用的技術一致。

三角視差的展示圖。

而測量質量所使用的是動力學方法。

也就是通過測量伴星圍繞黑洞運動的速度和伴星與黑洞之間的軌道半徑來推斷質量。在高中學物理的時候，我們學過如何測量太陽的質量，具體的過程就是已知地球的轉動速度，以及日地之間的距離，用開普勒定律來推算太陽的質量。

當然，在太陽系中，測量地球或者其他類似天體的質量相對比較簡單，然而真正應用於宇宙當中的天體尤其黑洞系統時，會複雜一些。

黑洞質量的測量依靠伴星的運動，因為彼此相隔幾百萬公里，對於目前的天文學測量精度而言，是可以測量到的級別。然而自轉僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公里的範圍，這對於我們目前的測量水平來説，尺度太小、難度太大，目前還無法直接測量，只能夠通過間接的方式測量。

我們團隊領銜了黑洞自旋的測量工作，推斷得到比之前測量結果更高的黑洞轉速，發現黑洞視界面在以95%的光速轉動，這是目前有精確測量的自旋最快的黑洞。

科學家們只能依靠觀測數據、數學模型和理論基礎來“估量”天體的參數，與此同時，還需要不斷改進設備，進行長期觀測，才有可能取得更加接近宇宙天體本來面目的測量結果。

2020年獲得諾獎的兩位實測天文學家賴因哈德·根策爾和安德烈婭·蓋茲就是憑藉着幾十年的持續努力，採用最先進的觀測技術，最終精確測量了銀河系中心緻密天體的質量而最終獲得了這一殊榮。在榮譽之外，正是通過眾多天文學家對於星空不同視角的持續探測，才讓我們更好地瞭解星空，認識我們所處的這個宇宙。