2月19日 ， 中外科学家在知名国际学术期刊《科学》杂志（Science）和（Astrophysical Journal）上发表3篇文章 ， 联合发布了对天鹅座X-1的最新精确测量结果 ， 该系统包含了一个21倍太阳质量的黑洞 ， 自转速度接近光速 。
文章插图
说到天鹅座X-1 ， 相信很多天文爱好者并不陌生 ， 在谈到黑洞的研究历史时 ， 这个名字一定不会被遗忘 。 1964年 ， 美国的“空蜂”探空火箭（Aerobee）上携带的X射线探测器捕捉到一个神秘的信号 ， 坐标大致为赤经19h53m ， 赤纬+34.6° ， 波长为10~150纳米 ， 覆盖了8.4°天区 。 这个信号明显来自地球以外 ， 但是天文学家并没找到任何已知的射电源或光学目标与之对应 。 1970年“乌呼鲁”卫星上天 ， 此后又新发现了约300个新的X射线源 ， 其中 ， 1964年发现的第一个目标被命名为天鹅座X-1 。 观测显示 ， 它X射线强度每秒发生多次波动 ， 这意味着能量一定被约束在一个不超过10万公里的范围内（并不是指黑洞的大小） ， 而我们已知太阳的直径为140万公里 。 1971年5月 ， 在天鹅座X-1的位置上 ， 终于有一颗蓝巨星AGK2 +35 1910（HDE 226868）被发现了 。 然而 ， 能发出X射线的天体温度应该在几百万度以上 ， 蓝巨星本身不具备这种能力 ， 这说明 ， 在它身边还有一个未知的天体 ， 正在吞噬AGK2 +35 1910的物质 ， 并将这些物质加热到几百万度 。 随后 ， 通过测量恒星的多普勒位移 ， 推测X射线源的直径只有1000公里 ， 质量为太阳的10~15倍 ， 远远超过奥本海默极限 ， 因此天鹅座X-1被认为极有可能是黑洞 。 这就是首个黑洞的发现过程 。
文章插图
天鹅座X-1所在天区（来源：ESO/水兄）
天鹅座X-1的出名 ， 还因为物理学界两位大牛的赌局——基普·索恩认为它是一个黑洞 ， 而史蒂芬·霍金则在另一边押注 。 大佬的赌注也颇为奇特 ， 是一整年的某成人杂志 。 结果大家都知道了 ， 霍金输了 。
文章插图
史蒂芬·霍金与基普·索恩（来源：The Royal Society；版权：Anna N. ?ytkow）
天鹅座X-1的发现 ， 是天文学十分重要的历史时刻 ， 一方面 ， 人们意识到 ， 黑洞还是有办法被探测到的 ， 另一方面 ， 科学家在现实中找到了高效率的质能转换机制的案例 。 受此鼓舞 ， 很快 ， 一个全新的充满活力的天体物理学分支开始兴起 ， 叫相对论天体物理 ， 主要就是研究致密天体强引力场中的物质行为 。
黑洞的初始质量是由其前身恒星的性质决定的 ， 成为黑洞后 ， 会进一步通过吸积或并合增加质量 ， 越长越大 ， 我们在LIGO探测到的引力波事件中看到了很多次“黑吃黑”的现象 。 黑洞身上能传递出的物理信息少得可怜 ， 但对恒星的相关特性的描述就有很多了 ， 包括其初始质量、金属丰度（或称重元素丰度）、其生命周期中在恒星风中丢失的质量、恒星演化之路等都可以被当做研究的途径 ， 而这些都有可能受到其伴星的强烈影响 。
文章插图
GWTC-目录中的50次引力波事件示意图（来源：LIGO-Virgo / Northwestern U / Frank Elavsky & Aaron Geller）
离我们那么近的黑洞 ， 又是人类发现的第一个黑洞 ， 我们当然不会放过它；况且 ， 对较大质量的恒星级黑洞质量的测定 ， 对恒星和双星演化模型有着重要的约束 ， 也能估计黑洞的并合率 ， 重要性不言而喻 。 最新的研究来自澳大利亚、美国和中国的3个科研团队 ， 他们分别独立地对黑洞的距离、质量、自旋及其演化作了最为精确的测量和限制 。 研究人员认为 ， 原先通过三角视差的方法测得的结果为：天鹅座X-1系统距离6067光年 ， 由一个黑洞和一个蓝巨星组成 ， 蓝巨星以5.6天的轨道周期围绕质量为14.8倍太阳质量的黑洞运行 ， 黑洞的视界面在以72%的光速转动 ， 但是由此推算出的相关参数并不符合蓝巨星的质量-光度关系 。 同时 ， 他们也调取了欧洲航天局“盖亚”太空望远镜的最新观测资料 ， 发现光学视差测出的距离约为7100光年 ， 与当年用射电望远镜测出的结果存在一定的偏差 。 到底谁出了问题？
2016年5月29日至6月3日 ， 研究人员使用甚长基线射电望远镜阵（VLBA）——这是一个含有10座射电望远镜 ， 东至维尔京群岛 ， 西至夏威夷的巨大望远镜阵列——对天鹅座X-1再次进行了三角视差法的测量 。 这一次 ， 持续6天的观测（每天一次） ， 确保覆盖一个完整的轨道周期 。
文章插图
VLBA阵列天线位置（来源：NASA）
（注意：以下内容“超纲” ， 想节省时间的可以绕道走 。 ）
【天鹅座|人类认识的第一个黑洞，终于测出了更精确的质量】研究人员还注意到了一个问题 ， 会对测量结果产生影响 。 这里头涉及到一个十分专业的原理 ， 也是一个有趣的现象 ， 叫“自由-自由吸收”（free-free absorption） ， 也是轫致辐射（bremsstrahlung）的形式之一 。 广义的轫致辐射指带电粒子碰撞过程中发出的辐射 。 对电子而言 ， 在碰撞后 ， 电子能量减少时发出辐射 ， 电子能量增加则吸收辐射 ， 但不管怎样 ， 在辐射过程前后电子都是自由的 ， 因而这一过程也被称作自由-自由过程或自由-自由跃迁 。 那么针对电子吸收能量的情况 ， 这个过程就是自由-自由吸收 。
黑洞喷流不仅可以用X射线观测 ， 也可以通过射电波段（无线电波）进行观测 ， 其本质是能量比可见光低得多的光子 。 蓝巨星上发出的电离的星风中含有大量电子 ， 它们会吸收黑洞喷流中的一小部分射电波段光子 ， 电子从动能较低的自由态跃迁到动能较大的自由态 ， 这在一定程度上会阻止喷流中射电波束向外传递 。 恒星风的密度弱的地方 ， 这种自由-自由吸收的效应就会弱一些 ， 射电波束会更有机会逃脱 。 由于天鹅座X-1系统中的黑洞喷流并不正好直直地对着我们 ， 当黑洞被蓝巨星牵引着绕公共质心旋转的时候 ， 自由-自由吸收的过程会在射电波束上留下印迹 ， 呈现周期性的变化 ， 而且很显然 ， 当黑洞离我们最远、蓝巨星夹在我们中间的时候 ， 这种效果最为明显 。
文章插图
天鹅座X-1黑洞双星模型（来源：Pepe, Carolina et al. 2015）
在消除了天鹅座X-1喷流运动所导致的系统误差之后 ， 问题就变得简单了 ， 就跟几十年前一样 ， 通过蓝巨星绕黑洞旋转的轨道半径和周期就能知道黑洞的质量了 。 最终 ， 测出天鹅座X-1的距离为7240光年 ， 与“盖亚”卫星的观测结果几乎一致 ， 而黑洞的质量为21.2倍太阳质量 ， 比原来的高出了50% 。 这一发现暗含着对恒星演化的深刻思考 。
文章插图
天鹅座X-1系统艺术想象画（来源：NASA/CXC/M.WEISS）
此前大家都认为 ， 不管恒星初始质量有多大 ， 死亡后坍缩下来的黑洞质量不会超过15倍太阳质量 ， 其大部分质量都会随着星风吹出去 。 但是从天鹅座X-1的情况来看 ， 对这一观点形成了挑战 。 或许在恒星时期的质量损失并没有我们想象那么大 ， 或许天鹅座X-1的黑洞还有过一段不一般的往事 。
参考资料：
[1]Cygnus X-1 contains a 21-solar mass black hole -- implications for massive star winds
https://doi.org/10.1126/science.abb3363
[2]Re-estimating the Spin Parameter of the Black Hole in Cygnus X-1
(https://arxiv.org/abs/2102.09093v1)
[3] The first black hole ever discovered is more massive than previously thought
(https://www.sciencenews.org/article/first-black-hole-discovery-cygnus-massive)
[4] 国家天文台联合对历史上第一个X射线黑洞双星系统作出更精确测量
(http://www.nao.cas.cn/xwzx/kydt/202102/t20210219_5892577.html)
打赏通道
订阅通道
推荐阅读
- 显微镜|假如人类可以把显微镜提升到40亿倍，是不是全新的宇宙观？
- 细胞|“首个人类胚胎完整模型”！两篇《自然》报道重大进展
- 地球|发生了什么？日美专家透露不好消息，地球或不再适合人类居住
- 细胞|科学家用人类皮肤细胞制成活的、完整的早期胚胎模型
- 量子医学|量子医学诞生了！人类或迎来没有疾病的世界
- 火星|NASA支持，在火星地壳中有大量的水，人类移居火星“稳妥”了？
- 恐龙|有人说，6500万年前人类灭了恐龙，难道人不是进化而来的？
- 全球变暖|真来了，印尼约30万人的城市，或在15年内被淹没，人类需警惕
- 太空|约260亿美元投资太空，2040年第一批人类将登陆火星
- 小行星|较真丨NASA称21日有小行星和地球“亲密接触”，我们人类需要担心吗？