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天鵝座X1(Cygnus X-1)是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)恒星級(jí)黑洞。幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直對(duì)其開(kāi)展持續(xù)研究。北京時(shí)間2月19日凌晨，國(guó)際科學(xué)期刊《科學(xué)》(Science)雜志和《天體物理學(xué)報(bào)》(Astrophysical Journal)的三篇文章聯(lián)合發(fā)布了對(duì)它的最新精確測(cè)量結(jié)果——來(lái)自澳大利亞、美國(guó)和中國(guó)的三個(gè)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立對(duì)黑洞的距離、質(zhì)量、自旋及其演化做了最為精確的測(cè)量和限制，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)包含了一個(gè)21倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，其自轉(zhuǎn)速度極接近光速。這是目前人類發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的唯一一個(gè)黑洞質(zhì)量超過(guò)20倍太陽(yáng)質(zhì)量，且自轉(zhuǎn)如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)茍利軍研究員及學(xué)生趙雪杉、鄭雪瑩是這一研究的主要完成者。茍利軍介紹，天鵝座X1發(fā)現(xiàn)于1964年，是X射線雙星系統(tǒng)——包含一個(gè)能產(chǎn)生X射線源的致密天體和一個(gè)藍(lán)巨星。著名物理學(xué)家索恩和霍金曾經(jīng)為了這個(gè)致密天體究竟是黑洞還是中子星立據(jù)打賭，霍金堅(jiān)定地認(rèn)為它是中子星。20世紀(jì)90年代，越來(lái)越多觀測(cè)證據(jù)表明這個(gè)致密天體是黑洞，霍金才簽字認(rèn)輸。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直希望能夠精確“描畫”出這個(gè)黑洞的性質(zhì)。2011年，茍利軍和合作者就首次嘗試對(duì)這顆黑洞的性質(zhì)進(jìn)行精確測(cè)量，茍利軍說(shuō)：“我們當(dāng)時(shí)得出的結(jié)果是這個(gè)黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質(zhì)量為14.8倍的太陽(yáng)質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉(zhuǎn)動(dòng)。”2013年，歐洲航空局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計(jì)劃對(duì)銀河系內(nèi)的10億顆恒星的距離進(jìn)行精確測(cè)量。其對(duì)天鵝座X1的測(cè)量結(jié)果顯示，它與地球距離大約為7100光年。

此次，澳大利亞柯廷大學(xué)的米勒-瓊斯教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)主要完成了對(duì)天鵝座X1黑洞距離的測(cè)量。團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉陣列(VLBA)進(jìn)行觀測(cè)，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算后，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年，精度達(dá)到8%。在此基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)重新分析光學(xué)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑洞質(zhì)量增加了將近50%，為21倍的太陽(yáng)質(zhì)量，精度為10%。這是人類目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)黑洞質(zhì)量超過(guò)20倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。

茍利軍帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)主要對(duì)這一黑洞的自轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果同時(shí)發(fā)表在《科學(xué)》和《天體物理學(xué)報(bào)》上。他說(shuō)：“黑洞自轉(zhuǎn)僅僅影響靠近黑洞視界面大約幾百公里的范圍，所以需要利用位于此區(qū)域的吸積盤所產(chǎn)生的光子能量更高的X射線波段數(shù)據(jù)來(lái)推斷。”研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與之前的研究結(jié)果相比，這一黑洞的自轉(zhuǎn)變快了——黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉(zhuǎn)，這也是目前已知的唯一一個(gè)以如此高速度轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞系統(tǒng)。而另一篇文章中，科學(xué)家們推測(cè)，要想形成如此重量并且轉(zhuǎn)動(dòng)極快的黑洞，星風(fēng)損失應(yīng)該要比之前預(yù)計(jì)的小好幾倍，而此黑洞的前身星的質(zhì)量可能是太陽(yáng)質(zhì)量的60倍。

茍利軍認(rèn)為，精確的系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量給人類提供了和引力波所探測(cè)到的黑洞進(jìn)行比較的機(jī)會(huì)。“天鵝座X1的自轉(zhuǎn)極快，這和引力波所發(fā)現(xiàn)的黑洞系統(tǒng)表現(xiàn)出完全不同的轉(zhuǎn)動(dòng)特征，這也意味著此系統(tǒng)很有可能與引力波系統(tǒng)有著完全的不同形成機(jī)制。”(記者齊芳)