中新網(wǎng)北京2月19日電 (記者 孫自法)中國科學(xué)院國家天文臺最新消息，中外三個科研團(tuán)隊分別對歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞——天鵝座X1(Cygnus X-1)的距離、質(zhì)量、自旋及其演化作出最為精確的測量和限制，發(fā)現(xiàn)該X射線黑洞雙星系統(tǒng)包含一個21倍太陽質(zhì)量的黑洞，且自轉(zhuǎn)速度極接近光速。
這是科學(xué)家迄今發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的唯一一個黑洞質(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)。
北京時間2月19日凌晨，這項(xiàng)由澳大利亞、美國和中國的三個團(tuán)隊分別獨(dú)立完成的重要天文研究成果，在國際科學(xué)期刊《科學(xué)》和《天體物理學(xué)報》以三篇論文聯(lián)合發(fā)表。其中，中科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)》論文合作者，并作為第一作者及通訊作者在《天體物理學(xué)報》發(fā)表關(guān)于黑洞自轉(zhuǎn)精確測量的論文。
曾讓霍金認(rèn)賭服輸
天鵝座X1是一個X射線雙星系統(tǒng)，除包含能夠產(chǎn)生X射線源的致密星之外，還包含一個藍(lán)巨星。
該系統(tǒng)自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)家索恩和霍金曾為此立下字據(jù)打賭。直到上世紀(jì)90年代，越來越多的觀測證據(jù)表明該系統(tǒng)中心應(yīng)該是黑洞，霍金才簽字表示認(rèn)賭服輸。
精確測量“一波三折”
不過，這個黑洞雙星系統(tǒng)的性質(zhì)此前一直缺乏精確的測量。2011年，茍利軍和合作者對這顆黑洞的性質(zhì)首次進(jìn)行精確測量嘗試，當(dāng)時得出的結(jié)果是：這個黑洞系統(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。
2013年，歐洲空間局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃對銀河系包括天鵝座X1在內(nèi)的10億顆恒星的距離進(jìn)行精確測量，其給出天鵝座X1的距離約為7100光年。
最新發(fā)表于《科學(xué)》的論文中，澳大利亞柯廷大學(xué)米勒-瓊斯教授領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)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(jìn)行測量和確認(rèn)。他們把新的觀測數(shù)據(jù)和之前的觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，同時消除了天鵝座X1的噴流運(yùn)動所導(dǎo)致的系統(tǒng)誤差效應(yīng)之后，最終得到天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年，精度達(dá)到8%。
在此基礎(chǔ)之上，合作團(tuán)隊重新分析光學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該黑洞質(zhì)量增加50%，增至21倍太陽質(zhì)量，精度為10%。這也成為X射線雙星系統(tǒng)中，目前唯一一個主星質(zhì)量超過20倍太陽質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。
精確限制自轉(zhuǎn)速度
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，其自轉(zhuǎn)速度需要利用位于此區(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。
茍利軍團(tuán)隊結(jié)合新得到的距離和質(zhì)量的測量結(jié)果，通過分析X射線光譜數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對黑洞自轉(zhuǎn)速度的精確限制，相比之前的測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)此次測量的天鵝座X1黑洞轉(zhuǎn)動更加極端，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以如此高速度轉(zhuǎn)動的黑洞系統(tǒng)。
與引力波探測比較
系統(tǒng)參數(shù)完整并且高精度的測量，也使得研究團(tuán)隊可以對天鵝座X1黑洞雙星系統(tǒng)的演化過程做出一個更嚴(yán)格的限制。澳大利亞莫納什大學(xué)曼德爾教授領(lǐng)銜團(tuán)隊發(fā)表恒星演化論文稱，要想形成如此重量并且轉(zhuǎn)動極快的黑洞，星風(fēng)損失應(yīng)該要比之前預(yù)計的小好幾倍，而此黑洞的前身星重達(dá)60倍的太陽質(zhì)量。
茍利軍研究員表示，精確的系統(tǒng)參數(shù)測量也給科學(xué)家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，它和引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞系統(tǒng)表現(xiàn)出完全不同的轉(zhuǎn)動特征，這也意味著該X射線雙星系統(tǒng)很有可能與引力波系統(tǒng)有著完全的不同形成機(jī)制。(完)
