科学家对人类发现首个恒星级黑洞作出迄今最精确测量

中国科学院国家天文台最新消息,中外三个科研团队分别对历史上发现的第一个恒星级黑洞——天鹅座X1(Cygnus X-1)的距离、质量、自旋及其演化做出最为精确的测量和限制,发现该X射线黑洞双星系统包含一个21倍太阳质量的黑洞,且自转速度极接近光速。

天鹅座X1系统想象图。(版权:International Centre for Radio Astronomy Research)中科院国家天文台 供图

这是科学家迄今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。

北京时间2月19日凌晨,这项由澳大利亚、美国和中国的三个团队分别独立完成的重要天文研究成果,在国际科学期刊《科学》和《天体物理学报》以三篇论文联合发表。其中,中科院国家天文台苟利军研究员及学生赵雪杉、郑雪莹为《科学》论文合作者,并作为第一作者及通讯作者在《天体物理学报》发表关于黑洞自转精确测量的论文。

曾让霍金认赌服输

天鹅座X1是一个X射线双星系统,除包含能够产生X射线源的致密星之外,还包含一个蓝巨星。

该系统自1964年被美国探空火箭首次发现以来,其中致密天体究竟是黑洞还是中子星的问题,一直是高能天体物理研究领域的热点。

上世纪70年代,物理学家索恩和霍金曾为此立下字据打赌。直到上世纪90年代,越来越多的观测证据表明该系统中心应该是黑洞,霍金才签字表示认赌服输。

精确测量“一波三折”

不过,这个黑洞双星系统的性质此前一直缺乏精确的测量。2011年,苟利军和合作者对这颗黑洞的性质首次进行精确测量尝试,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,欧洲空间局的盖亚(GAIA)卫星发射升空,计划对银河系包括天鹅座X1在内的10亿颗恒星的距离进行精确测量,其给出天鹅座X1的距离约为7100光年。

最新发表于《科学》的论文中,澳大利亚柯廷大学米勒-琼斯教授领导团队利用美国的甚长基线干涉阵列(VLBA),通过三角视差方法对天鹅座X1的距离再次进行测量和确认。他们把新的观测数据和之前的观测数据相结合,同时消除了天鹅座X1的喷流运动所导致的系统误差效应之后,最终得到天鹅座X1黑洞的最新距离为7240光年,精度达到8%。

在此基础之上,合作团队重新分析光学数据,发现该黑洞质量增加50%,增至21倍太阳质量,精度为10%。这也成为X射线双星系统中,目前唯一一个主星质量超过20倍太阳质量的黑洞X射线双星系统。

精确限制自转速度

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,其自转速度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。

苟利军团队结合新得到的距离和质量的测量结果,通过分析X射线光谱数据,从而实现对黑洞自转速度的精确限制,相比之前的测量结果,发现此次测量的天鹅座X1黑洞转动更加极端,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。

与引力波探测比较

系统参数完整并且高精度的测量,也使得研究团队可以对天鹅座X1黑洞双星系统的演化过程做出一个更严格的限制。澳大利亚莫纳什大学曼德尔教授领衔团队发表恒星演化论文称,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,而此黑洞的前身星重达60倍的太阳质量。

苟利军研究员表示,精确的系统参数测量也给科学家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,它和引力波所发现的黑洞系统表现出完全不同的转动特征,这也意味着该X射线双星系统很有可能与引力波系统有着完全的不同形成机制。

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