中外科學家對首個黑洞作出更精確測量 黑洞到底有多大?

央廣網北京2月19日訊息 據中央廣播電視總檯中國之聲《新聞晚高峰》報道,仰望蒼穹,浩瀚的宇宙有無數天體,其中一個特殊的存在就是黑洞,黑洞一直是宇宙中最神秘的謎團之一。

黑洞是一種體積極小、質量極大的天體,在宇宙中它如同“吞噬之口”,吞噬一切,連光也無法逃逸。

根據質量的不同,黑洞大致分為恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100-10萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(10萬倍太陽質量以上)。恆星級黑洞是由大質量恆星死亡形成的,是宇宙中廣泛存在的 “居民”。

一顆恆星演化到最後如果剩下的質量太多(大於3倍太陽質量),多到既不能形成白矮星,也不能成為中子星,一旦進入死亡階段,就沒有任何力量可以阻止這顆恆星在終極引力的作用下持續塌縮,最終形成緻密的黑洞。

歷史上人類發現的第一個黑洞候選天體叫天鵝座X1。

天鵝座X1是一個X射線雙星系統,除了包含能夠產生X射線源的緻密星之外,還包含一個藍巨星。自從這個系統在1964年被美國探空火箭首次發現以來,其中緻密天體究竟是黑洞還是中子星的問題一直是高能天體物理研究領域的熱點。

上世紀70年代,物理學家索恩和霍金也為此打賭,還立下了字據。直到上世紀90年代,越來越多的觀測證據表明這個系統中心應該是黑洞,霍金才簽字表示認賭服輸。儘管霍金已經認輸,但對於這個系統的性質一直缺乏精確的測量。

黑洞的質量自然是個天文數字,但它到底有多重,距離我們多遠呢?2011年,國家天文臺研究員苟利軍和合作者就把測量的目標對準了這顆黑洞。“它是人類發現的第一個恆星級黑洞系統,吸引了更多的注意力。相比於其他黑洞,它是比較近的。正是這兩方面原因,吸引我們對它做非常詳細的研究。”苟利軍說。

那麼,黑洞如此之大,是透過什麼方法測量它的質量呢?苟利軍解釋,測量黑洞質量的原理與測量地球、太陽的質量原理相同。“在地球周圍有月亮。我們測量出月亮到地球之間的距離,並且測量出月球運動速度,那就能算出地球的質量。相似的,比如在太陽周圍有很多行星,如果我們知道地球到太陽之間的距離,知道地球的運動速度,那就能算出太陽的質量。”

但是,黑洞的神秘感要比太陽和地球大得多,因此,測量的難度也更大,不確定性因素更多。“測量恆星運動,其軌道不一定是圓形,恆星圍繞黑洞繞轉的過程就不一定是圓形,可能是橢圓軌道。另外,恆星形狀也會發生一些形變,使其測量過程更加複雜。首先我們需要在觀測方面有比較好的精度,同時在得到觀測資料進行擬合的過程中,需要考慮這種演算法是不是完全。”苟利軍說。

2011年,苟利軍團隊測量得出的結果是:這個黑洞系統與地球的距離為6067光年,質量是太陽的14。8倍,並且發現這個黑洞的視介面在以72%的光速轉動。但兩年後,歐洲航空局的蓋亞衛星發射升空,測量出的天鵝座X1的距離要更遠一些,大約為7100光年。

因此,來自澳大利亞的團隊,利用美國的甚長基線干涉陣列,透過三角視差方法對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。結合中方的資料,得出天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年,與蓋亞衛星給出的距離幾乎一致。苟利軍進一步說:“之前在擬合其距離過程中,我們有一些因素沒有考慮,比如噴流產生的效應最後導致當時所算結果有一定的誤差。考慮了這些誤差效應之後,我們最終得到了跟蓋亞衛星一致的結果。”

在此基礎之上,合作團隊重新分析光學資料,發現黑洞質量增加了50%,增加到了21倍的太陽質量,這是X射線雙星系統中目前唯一一個主星質量超過20倍太陽質量的黑洞X射線雙星系統。

同時,也發現此次測量的黑洞轉動更加極端,黑洞視介面正在以至少95%的光速自轉,也就是基本接近光速了。這也是目前已知的唯一一個以如此高速度轉動的黑洞系統。

這些測量結果在北京時間19日凌晨發表在國際科學期刊《科學》雜誌和《天體物理學報》上。苟利軍指出,知道了黑洞的質量和自轉速度有助於進一步瞭解它周微的時空特性以及黑洞的演化史。“對於黑洞,質量和自轉速度是描述它的最基本特性。比如,我們想了解天鵝座黑洞周圍的時空特性,首先需要知道這兩個物理量,之後可以做一些其他的事情,尤其是精確測量,還可以對黑洞的演化等做一番精確限制。”

在未來,更多的黑洞質量、距離、自轉等屬性有望被揭示。苟利軍表示:“之前我們已經測過好幾個其他系統黑洞,但是誤差相對較大,看在未來能否得到更多的觀測。我們還有性質相對明確的源10多個,接下來具體選哪一個,還需要看哪一個更容易觀測。”

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