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吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍

編者按：本文來自微信公眾號“高山大學(xué)”（ID:gasadaxue），作者：邱施運，朱珍，鄧舒夏，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
1916年，德國天文學(xué)家卡爾·史瓦西對愛因斯坦場方程求出了一個真空解——黑洞。自此，圍繞黑洞的研究貫穿了整個近現(xiàn)代科學(xué)史。
不過，一個多世紀(jì)以來，一方面人們想找到更多的黑洞，然后所發(fā)現(xiàn)的數(shù)目也僅僅是理論預(yù)言的冰山一角。而另外一個方面，人們也想對找到黑洞的精確性質(zhì)作出一個精確測量。
盡管望遠(yuǎn)鏡越來越大，觀測也從地面進(jìn)入到了空間，然而精確測量依舊是擺在天文學(xué)家面前的一個難題，但也是天文學(xué)家的夢想。
2020年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者安德里亞·格茲（Andrea Ghez）等人就是對于我們銀河系中心超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量的精確測量獲得了諾獎。
相比質(zhì)量而言，對于影響效應(yīng)僅僅存在于黑洞臨近區(qū)域的自旋測量難度更大。盡管如此，還是有不少的科學(xué)家們持續(xù)且努力地做著相應(yīng)的工作。
近日，來自于澳大利亞、美國和中國的科學(xué)家們對人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞——天鵝座X1——的基本性質(zhì)（包括距離、質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度及其演化過程）進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這個黑洞正以至少95%的光速瘋狂自轉(zhuǎn)，并且這顆黑洞的質(zhì)量在所有已知的X射線系統(tǒng)中排名第一，為21倍的太陽質(zhì)量。
這項新發(fā)現(xiàn)被刊登在2021年2月19日上線的《科學(xué)》（Science）和《天體物理期刊》（Astrophysical Journal）上，來自國內(nèi)的科研團(tuán)隊是中國科學(xué)院國家天文臺恒星級黑洞研究團(tuán)組的茍利軍研究員及其學(xué)生。


吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍
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論文截圖
此次發(fā)現(xiàn)對黑洞研究有怎樣的價值？黑洞的距離、質(zhì)量和轉(zhuǎn)速是如何測量到的？高山大學(xué)（GASA）獨家專訪黑洞發(fā)現(xiàn)者茍利軍，解讀這一段科研歷程背后的來龍去脈。
質(zhì)量、速度“雙突破”描述一個黑洞，主要需要兩個參數(shù)：質(zhì)量和自轉(zhuǎn)速度。
過去，天文學(xué)界對黑洞的質(zhì)量頗有研究，但對其轉(zhuǎn)速卻知之甚少，以致于黑洞的誕生機(jī)制及演化路徑存在很大的不確定性。
如今，國際團(tuán)隊的合作者借助美國甚大干涉基線射電陣列，利用三角視差的方法測量了距離。而之后，利用黑洞伴星運動的觀測數(shù)據(jù)測量了中心黑洞的質(zhì)量，這種方法被稱之為動力學(xué)質(zhì)量測量方法。
在已知距離、質(zhì)量等條件的情況下，茍利軍所在的團(tuán)隊利用美國的RXTE和錢德拉X射線衛(wèi)星數(shù)據(jù)，測量發(fā)現(xiàn)黑洞正在以一個前所未見、高達(dá)95%光速的轉(zhuǎn)動，這比目前其它所有黑洞的轉(zhuǎn)動都要快。
在已知黑洞質(zhì)量和轉(zhuǎn)速以后，作為新的邊界條件，能對恒星的演化路徑開出更精確的限制，通過計算機(jī)的模擬計算，讓我們更完整地了解恒星的演化、黑洞的誕生過程。


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茍利軍團(tuán)隊研究結(jié)果示意圖
“研究黑洞看似對人們的實際生活沒有直接意義，但恒星如何演化，可以說是天文學(xué)里各種理論模型的根基。對恒星的演化理解越透徹，我們離宇宙的真相也就越靠近 ”茍利軍說。
另外，這個黑洞不僅是擁有最高的轉(zhuǎn)速，它同時也刷新了X射線雙星系統(tǒng)中“恒星級黑洞”的質(zhì)量紀(jì)錄，高達(dá)21倍的太陽質(zhì)量。
其實早在2011年，茍利軍和合作者就曾經(jīng)對該黑洞進(jìn)行過測量，但當(dāng)時得到的質(zhì)量是太陽的15倍。這次質(zhì)量增重了約50%，質(zhì)量增大是因為測量距離的增大。
知識點：X射線雙星是能夠產(chǎn)生X射線輻射的黑洞雙星系統(tǒng)，這些系統(tǒng)中的天體通常彼此距離比較近，X射線輻射來自于黑洞周圍的吸積盤。
而有一些系統(tǒng)相距比較較遠(yuǎn)，此時就沒有X射線輻射，只有來自于恒星的光學(xué)輻射。
另外，近幾年科學(xué)家在天文界新寵——引力波的加持下，也發(fā)現(xiàn)了大量新的更高質(zhì)量的“恒星級黑洞”，誕生機(jī)制依舊存疑。
如今，正是天鵝座X1黑洞質(zhì)量和自旋的精確測量，為科學(xué)家提供了限制此類恒星演化過程的絕佳機(jī)會。這也是這項研究登上《科學(xué)》的一大亮點。
天鵝座X1作為唯一一個轉(zhuǎn)動如此之快的黑洞，茍利軍的下一步是想找到其它轉(zhuǎn)動有類似轉(zhuǎn)速的黑洞系統(tǒng)，這樣有望對于黑洞系統(tǒng)有個比較并且對于黑洞形成機(jī)制有一番深入了解。
與此同時，他還想尋找和測量更多黑洞——理論上，我們銀河系中存在著上億顆恒星級黑洞，而目前天文界只探測到了不足百顆，精確測量的系統(tǒng)也只有20多個。


吸積盤 近光速自轉(zhuǎn)、迄今最重的恒星級黑洞，獨家專訪發(fā)現(xiàn)者茍利軍

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