天鹅座X1(Cygnus X-1)是人类发现的第一个恒星级黑洞。几十年来,科学家们一直对其开展持续研究。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它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,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。

中国科学院国家天文台苟利军研究员及学生赵雪杉、郑雪莹是这一研究的主要完成者。苟利军介绍,天鹅座X1发现于1964年,是X射线双星系统——包含一个能产生X射线源的致密天体和一个蓝巨星。著名物理学家索恩和霍金曾经为了这个致密天体究竟是黑洞还是中子星立据打赌,霍金坚定地认为它是中子星。20世纪90年代,越来越多观测证据表明这个致密天体是黑洞,霍金才签字认输。

几十年来,科学家们一直希望能够精确“描画”出这个黑洞的性质。2011年,苟利军和合作者就首次尝试对这颗黑洞的性质进行精确测量,苟利军说:“我们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。其对天鹅座X1的测量结果显示,它与地球距离大约为7100光年。

此次,澳大利亚柯廷大学的米勒-琼斯教授带领的团队主要完成了对天鹅座X1黑洞距离的测量。团队利用美国的甚长基线干涉阵列(VLBA)进行观测,经过一系列复杂的科学计算后,最终得到了天鹅座X1黑洞的最新距离为7240光年,精度达到8%。在此基础上,合作团队重新分析光学数据,发现黑洞质量增加了将近50%,为21倍的太阳质量,精度为10%。这是人类目前发现的唯一一个黑洞质量超过20倍太阳质量的黑洞X射线双星系统。

苟利军带领的研究团队主要对这一黑洞的自转速度进行了研究,研究结果同时发表在《科学》和《天体物理学报》上。他说:“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。”研究团队发现,与之前的研究结果相比,这一黑洞的自转变快了——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。而另一篇文章中,科学家们推测,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,而此黑洞的前身星的质量可能是太阳质量的60倍。

苟利军认为,精确的系统参数测量给人类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。”(记者齐芳)

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