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首個恒星級黑洞最新數據:21倍太陽質量、自轉速度接近光速

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2021-02-22 10:07 | 稿件來源:人民日報

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  據《人民日報》2月22日報道,2月19日,中外科學家聯合發佈了對天鵝座X1的最新精確測量結果,這是人類發現的首個恒星級黑洞。此系統包含了一個21倍太陽質量的黑洞,自轉速度接近光速。這是迄今為止人類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,該發現有助於進一步了解黑洞周圍的時空特性及其演化史。

  北京時間2月19日淩晨,國際學術期刊《科學》雜誌和《天體物理學報》的3篇文章聯合發佈了對歷史上發現的第一個恒星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結果。

  來自澳大利亞、美國和中國的3個科研團隊分別獨立對黑洞的距離、質量、自旋及其演化作了最為精確的測量和限制,發現此系統包含了一個21倍太陽質量的黑洞,並且其自轉速度接近光速。

  這是迄今為止人類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。其中,中國科學院國家天文台研究員茍利軍及學生趙雪杉、鄭雪瑩為《科學》雜誌論文的合作者,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文章。

  目標:瞄準人類歷史上發現的首個恒星級黑洞

  黑洞一直是宇宙中最神秘的謎團之一。

  一些大質量恒星在核聚變反應燃料耗盡時,內核會急劇坍縮,當其質量大於約3倍太陽質量時,便會坍縮為一個奇點,成為黑洞。由於其密度極高、引力超強,即便是光也無法從它身邊逃離。

  根據質量的不同,黑洞大致分為恒星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100—10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。恒星級黑洞由大質量恒星死亡而形成,在宇宙中廣泛存在。

  作為人類歷史上發現的第一個黑洞候選體,天鵝座X1是一個X射線雙星系統,除了包含能夠產生X射線源的致密星之外,還包含一個藍巨星。1964年,這個系統被美國探空火箭首次發現,此後,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域的熱點。

  上世紀70年代,物理學家索恩和霍金曾為此問題爭論。直到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,但對於系統的性質一直缺乏精確的測量。

  2011年,茍利軍及其合作者把測量的目標對準了這顆黑洞。“一方面因為它是人類歷史上發現的第一個恒星級黑洞,最為知名;另外一方面是它距離我們相對比較近,可以利用現有的望遠鏡做到精確觀測。”茍利軍說。

  方法:通過測量質量和自轉速度來描述黑洞性質

  質量、自轉速度和電荷是描述黑洞的最基本參數。黑洞周圍有很多帶電粒子,假如黑洞帶電,很容易吸附周圍其他的異性電荷,最終達到電平衡。所以,只需要知道質量和自轉速度這兩個參數,就可以完整描述黑洞,從而將不同的黑洞區分開來。

  那麽,黑洞如此巨大,用什麽方法測量它的質量呢?

  茍利軍介紹,這種方法在天文學當中被稱為動力學方法。“這個名詞聽起來很陌生,其實原理挺簡單,就是通過圍繞黑洞轉動的恒星的速度和軌道半徑來計算,然後利用開普勒定律來計算。”茍利軍說,“跟高中物理中測量太陽質量和地球質量的方法,原理上都是一樣的。當然在具體的觀測和之後的數據擬合還是比較復雜。”

  相比黑洞的質量測量,其自轉速度的測量難度大很多。

  黑洞質量的測量依靠雙星系統中伴星的運動,通常彼此相隔幾百萬千米,對於目前的天文學測量精度而言,在一定距離範圍內是可以測量到的。然而,自轉僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公裏的範圍,這對於人類目前的測量水平來說,尺度太小、難度太大,只能夠通過間接的方式測量。

  “雖然我們現在有了性能強大的望遠鏡,能夠觀測到很微弱的宇宙信號,但是這些微弱信號的來源解釋具有極大的難度。”茍利軍說:“比如,觀測到的信號是否都來自於所期待的源,是否存在之前沒有留意的因素影響探測到的信號。”

  

  意義:幫助了解黑洞周圍的時空特性及其演化史

  黑洞測量難度之大,導致茍利軍團隊的測量過程一波三折。

  2011年,茍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。但兩年後,歐洲航空局的蓋亞衛星發射升空,測量出的天鵝座X1的距離要更遠一些,大約為7100光年。

  兩次結果差異較大。隨後,來自澳大利亞的團隊對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。結合之前的數據,得出天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年,與蓋亞衛星給出的距離幾乎一致。

  為何會出現這樣的偏差?茍利軍說:“之前在擬合其距離過程中,我們有一些因素沒有考慮,比如噴流產生的效應最後導致的誤差。考慮了這些誤差效應之後,我們最終得到了跟蓋亞衛星一致的結果。”

  在此基礎之上,合作團隊重新分析光學數據,發現黑洞質量增加了50%,增加到了21倍的太陽質量,這是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。同時,也發現此次測量的黑洞轉動更加極端,黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉,基本接近光速,這也是目前已知的唯一一個如此高速轉動的黑洞系統。

  茍利軍認為,知道黑洞的質量和自轉速度有助於進一步了解它周圍的時空特性以及黑洞的演化史。“這次我們對天鵝座X1基本參數做了精確測量,之後就可以深入研究這個黑洞的其他性質了。此外,我們還有能力對恒星的演化作出精確限制,還可以與其他黑洞系統做比較,比如引力波發現的黑洞自轉很多沒有轉動或者轉動很小,這很可能說明引力波所發現的黑洞經歷了不一樣的演化過程,這也是未來需要深入研究的一個課題。”

  茍利軍表示,黑洞性質的精細研究一直是團隊的重點研究課題。“在目前確認的20多個黑洞系統中,我們已經對其中10多個黑洞系統作了完整測量,但是一些系統的測量精度還不是很高,我們在未來也希望借助多波段的手段對於其中的一些作出更精確的測量。”

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