霍金曾因它赌输 史上首个恒星级黑洞被精确测量

X 射线双星系统天鹅座 X1 是不是黑洞?霍金曾说,它不是!为此,他还专门与人打赌。

2 月 19 日,《科学》杂志和《天体物理学报》上线的三篇文章联合发布了对历史上发现的第一个恒星级黑洞——天鹅座 X1 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天鹅座 X1 的距离、质量、自转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,并且其自转速度极快接近光速。这是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。

天鹅座 X1 是一个 X 射线双星系统,除了包含能够产生 X 射线源的致密星之外,还包含一个蓝巨星。” 自从这个系统在 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。” 中科院国家天文台研究员苟利军说。

对致密天体究竟是黑洞还是中子星,上世纪 70 年代,物理学家索恩和霍金还专门打赌,并立下字据。直到上世纪 90 年代,越来越多的观测证据表明这个系统中心应该是黑洞,霍金才签字表示认赌服输。

尽管霍金已经认输,然而对于这个系统的性质一直缺乏精确的测量。2011 年,苟利军研究员和合作者就对这颗黑洞的性质首次做了一次精确测量的尝试。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,欧洲航空局的盖亚卫星发射升空,计划对银河系内的 10 亿颗恒星的距离进行精确测量,当然也包括天鹅座 X1 在内的 X 射线双星。结果,盖亚卫星所给出的天鹅座 X1 的距离要比之前的距离远一些,大约为 7100 光年。

澳大利亚柯廷大学教授米勒 – 琼斯所领导的研究团队,利用美国的甚长基线干涉阵列,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。团队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,最终得到了天鹅座 X1 黑洞的最新距离,这一结果为 7240 光年,精度达到 8%,这个距离和盖亚卫星给出的距离完全一致。

在此基础之上,合作团队重新分析光学数据,发现黑洞质量增加了 50%,增加到了 21 倍的太阳质量,精度为 10%,这是 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。

结合新得到的距离和质量的测量结果,我国天文学家领导的研究团队分析了 X 射线光谱数据,从而对黑洞的自转速度进行了精确限制,相比之前的测量结果,发现此次测量的黑洞转动更加极端,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。

系统参数完整并且高精度的测量使得研究人员可以对此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教授曼德尔的研究显示,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,而此黑洞的前身星可能重达 60 倍的太阳质量。

苟利军表示,精确的系统参数测量也给我们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。

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