中外科學家對人類發現首個恆星級黑洞作出迄今最精確測量

天鵝座X1系統想象圖（版權：International Centre for Radio Astronomy Research）

中國科學院國家天文台最新消息，中外三個科研團隊分別對歷史上發現的第一個恆星級黑洞——天鵝座X1(Cygnus X-1)的距離、質量、自旋及其演化做出最為精確的測量和限制，發現該X射線黑洞雙星系統包含一個21倍太陽質量的黑洞，且自轉速度極接近光速。　

這是科學家迄今發現並確認的唯一一個黑洞質量超過20倍太陽質量、且自轉如此之快的X射線雙星系統。

北京時間2月19日凌晨，這項由澳大利亞、美國和中國的三個團隊分別獨立完成的重要天文研究成果，在國際科學期刊《科學》和《天體物理學報》以三篇論文聯合發表。其中，中科院國家天文台苟利軍研究員及學生趙雪杉、鄭雪瑩為《科學》論文合作者，並作為第一作者及通訊作者在《天體物理學報》發表關於黑洞自轉精確測量的論文。

曾讓霍金認賭服輸

天鵝座X1是一個X射線雙星系統，除包含能夠產生X射線源的緻密星之外，還包含一個藍巨星。

該系統自1964年被美國探空火箭首次發現以來，其中緻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曾為此立下字據打賭。直到上世紀90年代，越來越多的觀測證據表明該系統中心應該是黑洞，霍金才簽字表示認賭服輸。

精確測量“一波三折”

不過，這個黑洞雙星系統的性質此前一直缺乏精確的測量。2011年，苟利軍和合作者對這顆黑洞的性質首次進行精確測量嘗試，當時得出的結果是：這個黑洞系統與地球的距離為6067光年，質量為14.8倍的太陽質量，並且發現黑洞的視界面在以72%的光速轉動。

2013年，歐洲空間局的蓋亞(GAIA)衞星發射升空，計劃對銀河系包括天鵝座X1在內的10億顆恆星的距離進行精確測量，其給出天鵝座X1的距離約為7100光年。

最新發表於《科學》的論文中，澳大利亞柯廷大學米勒-瓊斯教授領導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。他們把新的觀測數據和之前的觀測數據相結合，同時消除了天鵝座X1的噴流運動所導致的系統誤差效應之後，最終得到天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年，精度達到8%。

在此基礎之上，合作團隊重新分析光學數據，發現該黑洞質量增加50%，增至21倍太陽質量，精度為10%。這也成為X射線雙星系統中，目前唯一一個主星質量超過20倍太陽質量的黑洞X射線雙星系統。

精確限制自轉速度

黑洞自轉僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公里的範圍，所以，其自轉速度需要利用位於此區域的吸積盤所產生的光子能量更高的X射線波段數據來推斷。

苟利軍團隊結合新得到的距離和質量的測量結果，通過分析X射線光譜數據，從而實現對黑洞自轉速度的精確限制，相比之前的測量結果，發現此次測量的天鵝座X1黑洞轉動更加極端，黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉，這也是目前已知的唯一一個以如此高速度轉動的黑洞系統。

與引力波探測比較

系統參數完整並且高精度的測量，也使得研究團隊可以對天鵝座X1黑洞雙星系統的演化過程做出一個更嚴格的限制。澳大利亞莫納什大學曼德爾教授領銜團隊發表恆星演化論文稱，要想形成如此重量並且轉動極快的黑洞，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倍的太陽質量。

苟利軍研究員表示，精確的系統參數測量也給科學家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的自轉極快，它和引力波所發現的黑洞系統表現出完全不同的轉動特徵，這也意味着該X射線雙星系統很有可能與引力波系統有着完全的不同形成機制。

文/孫自法

編輯/朱葳