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天鵝座X1(Cygnus X-1)是人類發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞。幾十年來，科學(xué)家們一直對其開展持續(xù)研究。北京時間2月19日凌晨，國際科學(xué)期刊《科學(xué)》(Science)雜志和《天體物理學(xué)報》(Astrophysical Journal)的三篇文章聯(lián)合發(fā)布了對它的最新精確測量結(jié)果——來自澳大利亞、美國和中國的三個團(tuán)隊分別獨立對黑洞的距離、質(zhì)量、自旋及其演化做了最為精確的測量和限制，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)包含了一個21倍太陽質(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)的唯一一個黑洞質(zhì)量超過20倍太陽質(zhì)量，且自轉(zhuǎn)如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。

中國科學(xué)院國家天文臺茍利軍研究員及學(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)——包含一個能產(chǎn)生X射線源的致密天體和一個藍(lán)巨星。著名物理學(xué)家索恩和霍金曾經(jīng)為了這個致密天體究竟是黑洞還是中子星立據(jù)打賭，霍金堅定地認(rèn)為它是中子星。20世紀(jì)90年代，越來越多觀測證據(jù)表明這個致密天體是黑洞，霍金才簽字認(rèn)輸。

幾十年來，科學(xué)家們一直希望能夠精確“描畫”出這個黑洞的性質(zhì)。2011年，茍利軍和合作者就首次嘗試對這顆黑洞的性質(zhì)進(jìn)行精確測量，茍利軍說：“我們當(dāng)時得出的結(jié)果是這個黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質(zhì)量為14.8倍的太陽質(zhì)量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉(zhuǎn)動。”2013年，歐洲航空局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃對銀河系內(nèi)的10億顆恒星的距離進(jìn)行精確測量。其對天鵝座X1的測量結(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)隊主要完成了對天鵝座X1黑洞距離的測量。團(tuán)隊利用美國的甚長基線干涉陣列(VLBA)進(jìn)行觀測，經(jīng)過一系列復(fù)雜的科學(xué)計算后，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倍的太陽質(zhì)量，精度為10%。這是人類目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個黑洞質(zhì)量超過20倍太陽質(zhì)量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。

茍利軍帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊主要對這一黑洞的自轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了研究，研究結(jié)果同時發(fā)表在《科學(xué)》和《天體物理學(xué)報》上。他說：“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)來推斷。”研究團(tuán)隊發(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以如此高速度轉(zhuǎn)動的黑洞系統(tǒng)。而另一篇文章中，科學(xué)家們推測，要想形成如此重量并且轉(zhuǎn)動極快的黑洞，星風(fēng)損失應(yīng)該要比之前預(yù)計的小好幾倍，而此黑洞的前身星的質(zhì)量可能是太陽質(zhì)量的60倍。

茍利軍認(rèn)為，精確的系統(tǒng)參數(shù)測量給人類提供了和引力波所探測到的黑洞進(jìn)行比較的機會。“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制。”(記者齊芳)