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黄梨头:发布-首个恒星级黑洞被精确测量 研究者苟利军揭秘如何测黑洞

  天鹅座X1X射线双星系统示意图。图片来源:ICRAR   新京报讯(记者 张璐)近日,来自澳大利亚、美国和…

  天鹅座X1X射线双星系统示意图。图片来源:ICRAR

  新京报讯(记者 张璐)近日,来自澳大利亚、美国和中国的三个团队发布了对天鹅座X1的最新观测结果,研究显示,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。天鹅座X1(Cygnus X-1)是人类发现的第一个恒星级黑洞,也是目前发现并确认的唯一一个黑洞质量超过20倍太阳质量,且自转速度如此之快的X射线双星系统。

  北京时间2月19日凌晨,相关文章发表在国际科学期刊《科学》(Science)杂志和《天体物理学报》(Astrophysical Journal)上。在深邃的宇宙中,科学家如何测量黑洞的自转速度?最新数据对于黑洞研究有哪些意义?对此,记者采访了文章合作者及第一作者——中科院国家天文台研究员苟利军,对公众关注的问题进行“科普”。

  释疑一:什么是恒星级黑洞?

  黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质,包括光也无法从它身边逃离。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。

  据苟利军介绍,简单来说,小于100个太阳质量的被称为恒星级黑洞,大于100万倍太阳质量的是超大质量黑洞。介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的,就是中等质量黑洞。

  这其中,恒星级黑洞是由大质量恒星死亡形成的,是宇宙中广泛存在的“居民”。理论预言银河系中有上亿个恒星级黑洞。

  天鹅座X1(Cygnus X-1)是人类发现的第一个恒星级黑洞。苟利军介绍,天鹅座X1发现于1964年,是X射线双星系统——包含一个黑洞和一颗恒星。黑洞是能产生X射线源的致密天体,恒星为大质量伴星HDE 226868,它是一颗蓝超巨星,以5.6天的轨道周期绕着黑洞运转。

  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。

  释疑二:如何测量黑洞的距离和质量?

  苟利军介绍,2011年,他和合作者就首次尝试对这颗黑洞的性质进行精确测量。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。

  两次测量结果差异较大,所以科研人员进行第三次测量进行验证。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,最终得到天鹅座X1黑洞的最新距离为7240光年。

  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。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。

  苟利军介绍,三次测量距离时使用的都是三角视差方法。通常而言,是指通过两个不同位置,测量某个天体相对于遥远背景的视线角度变化,然后在已知两个位置距离的情况下,就可以通过求解三角函数得到测量者到物体之间的距离。

  由于距离越远,物体对于视线变化所张开的角度变化就越小,会导致测量难度不断加大。因此这种方法多应用于一些临近天体的距离测量中。

  之所以能够利用地面上的望远镜对于天鹅座X1的距离进行测量,也是因为分布于美国10个地点的望远镜,能够通过干涉方式形成一个直径几千公里的虚拟望远镜,从而可以分辨出微小的角度变化。这种技术和2017年拍摄黑洞照片的望远镜所使用的技术一致。

  苟利军说,测量质量所使用的是动力学方法。动力学方法是通过测量伴星围绕黑洞运动的速度和伴星与黑洞之间的轨道半径来推断质量。“比如测量地球质量,我们通过地球周围行星月亮的运动速度、轨道半径等,带入开普勒定律,就能确定它的中心天体地球的质量。”

  释疑三:三次观测结果为什么不同?

  从2011年的14.8倍的太阳质量,到此次的21倍太阳质量,观测结果不同,是否有可能是黑洞本身质量在10年之间变大?

  “这种可能性较小”。苟利军说,通过观测,科研人员可以了解黑洞的吸积率。10年对于人来说算是漫长了,但是对于黑洞,10年吸积气体的速率还是比较慢的,10年中黑洞质量的增加甚至不会到千分之一,完全可以忽略掉。他曾经做过计算,黑洞吸积一个太阳质量,估计需要几十万年的时间。

  释疑四:如何测量黑洞的自转速度?

  此次,苟利军带领的研究团队对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。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%倍光速的线速度自转,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。

  苟利军说,测量黑洞质量需要了解黑洞周围伴星的速率和轨道半径。测定黑洞自转相对比较复杂。因为黑洞自转的影响效应非常弱,只能够影响到黑洞周围几百公里的范围。而黑洞的伴星位于几百万公里之外,所以黑洞自转只对临近区域的吸积盘产生一些影响。

  物质从伴星被撕扯过来以后,不是直接掉入黑洞,而是螺旋状围绕黑洞转动,形成盘状结构,慢慢掉入黑洞里。吸积盘有一个截断半径,在截断半径之外的气体,可以存在比较长的时间,而在截断半径之内,气体就很快掉入到黑洞里面去了,所以看起来黑洞的吸积盘似乎存在一个内半径。

  理论发现黑洞转得越快,吸积盘的内半径就会越靠近黑洞,转得越慢,吸积盘的内半径越远离黑洞。科研人员通过测量内半径具体的位置,可以间接推算出黑洞的自转速度。

  释疑五:测量结果对黑洞研究有何意义?

  苟利军说,就黑洞而言,只需要三个参数——质量、自转和电荷,就可以完整描述黑洞。黑洞周围有很多带电粒子,假如黑洞带电,很容易吸附周围其他的异性电荷,最终达到电平衡。所以对于黑洞而言,只需要质量和自转就可以完整描述黑洞。

  “但我们测量到的质量其实也是包含了自转能对应的质量,我们在直接进行质量测量的时候,不能区分所测量的质量到底包含了多少转动能量,必须要等到有了精确测量自转之后。对于特定质量的黑洞而言,自转越快,包含的自转能越多。”苟利军说。

  发现黑洞质量更大,转速更快,对于进一步研究黑洞有何意义?苟利军说,质量和自转是黑洞最基本的两个特性。如果缺乏这些基础的了解,对黑洞的演化历史和特征就无从着手了。

  “这次我们就对黑洞的质量、自转做了精确的限定以后,就可以通过后续恒星演化,对如何产生黑洞做更加精确的描述。”

  新京报记者 张璐

  责任编辑:刘光博

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