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觀測 十年前我們測量了一個黑洞，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當(dāng)年“小看”了它

出品：科普中國
【 觀測|十年前我們測量了一個黑洞，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當(dāng)年“小看”了它】制作：茍利軍（中國科學(xué)院國家天文臺研究員）
趙雪杉（中國科學(xué)院國家天文臺在讀博士研究生）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
天上的星星有多重？這個問題你能回答嗎？
天文學(xué)中，觀測的對象往往十分遙遠，或者十分巨大，要實現(xiàn)對它們的精確測量是非常困難的。
我們無法像稱量一個皮球一樣，將天體拿來放在秤上直接稱重，也無法舉著皮尺測算天體和我們的距離，但是科學(xué)家們還是有辦法的。
北京時間2月19日凌晨，三篇論文分別在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）和《天體物理學(xué)報》(Astrophysical Journal）上發(fā)表，來自于澳大利亞、美國和中國的科學(xué)家們聯(lián)合發(fā)布了對黑洞X射線雙星天鵝座X1（Cygnus X-1）的最新研究結(jié)果。
在重新進行高精度的天體測量后，天鵝座X1的距離被精確限定到約7240光年（2.2千秒差距），該系統(tǒng)中黑洞的質(zhì)量約為21倍的太陽質(zhì)量，并以至少95%倍光速的速度在自轉(zhuǎn)。
這些精確的測量結(jié)果成為我們深入了解類似黑洞系統(tǒng)的第一步，科學(xué)家們首先就利用此結(jié)果對于恒星演化過程做出更好的限制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量恒星演化末期通過星風(fēng)損失質(zhì)量的效率比預(yù)期中要低。
其中，來自中國科學(xué)院國家天文臺的茍利軍研究員、博士研究生趙雪杉以及碩士畢業(yè)生鄭雪瑩是發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的文章的合作者，還分別以第一作者和通訊作者的身份，在《天體物理學(xué)報》上發(fā)表了關(guān)于黑洞自旋精確測量的詳細工作。


觀測 十年前我們測量了一個黑洞，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)當(dāng)年“小看”了它
文章插圖

論文截圖｜圖片來源：《科學(xué)》雜志
他們竟然測量出了如此遙遠的天體的重量、轉(zhuǎn)速，和地球之間的距離，而且這天體是連光都無法逃脫的黑洞！科學(xué)家們是如何做到的呢？
黑洞：愛因斯坦一度不相信它真實存在
1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，幾個月之后，身處德國戰(zhàn)場的施瓦西在對愛因斯坦場方程做了球形近似之后，就得到了場方程的精確解，這個解體現(xiàn)了一個沒有轉(zhuǎn)動的黑洞，這就是我們現(xiàn)在所熟知的施瓦西黑洞。
在我們所了解的真實宇宙中，幾乎所有的天體都有角動量，都是處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，所以大家并不相信施瓦西得到的這個沒有轉(zhuǎn)動的解真實存在。
在接下來的幾十年中，因為戰(zhàn)爭不斷，相關(guān)天文觀測十分匱乏。而在理論方面，奧本海默和他的學(xué)生在20世紀30年代末期作出了僅有的發(fā)現(xiàn)：大質(zhì)量恒星最后死亡的時候，假如是球?qū)ΨQ坍縮，那么，最后會形成一個奇點，這就是我們所說的黑洞。
球?qū)ΨQ是一種理想情形，在現(xiàn)實中很多時候并不會發(fā)生。當(dāng)時科學(xué)家并不知道非球?qū)ΨQ是否也會坍縮形成奇點。
在20多年后的1965年，英國牛津大學(xué)物理學(xué)家彭羅斯將此理論拓展到了非球?qū)ΨQ的情形，從而從理論上證明了黑洞在宇宙中可以形成并且存在，這也是彭羅斯最終在2020年獲得諾貝爾物理學(xué)獎的重要原因。
可以說，在廣義相對論提出之后的40年內(nèi)，黑洞的實驗觀測和理論研究都沒什么大的進展。
所以，在1955年愛因斯坦去世之前，他并不相信黑洞這種天體能夠在宇宙中真實存在，即使是他自己提出的理論預(yù)言了黑洞的存在。
直到20世紀60年代，黑洞理論和觀測方面終于迎來了雙重突破。
1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家羅伊·克爾（Roy Kerr）得到了旋轉(zhuǎn)黑洞的精確解。同一年，荷蘭天文學(xué)家馬爾滕·施密特（MaartenSchmidt）利用海爾望遠鏡（Hale）觀測得到射電源3C273的光譜，證認出其中的寬發(fā)射線實際上是紅移后氫的巴爾末線和電離氧的譜線，從而確認類星體（quasar）產(chǎn)生于一塊非常致密并且高速運動的區(qū)域。
這之后不久，1964年，蘇聯(lián)理論天文學(xué)家雅可夫·澤爾多維奇（Yakov Zeldovich）和伊戈爾·德米特里耶維奇·諾維科夫（Igor Dmitriyevich Novikov），以及奧地利-澳大利亞-美國天文學(xué)家埃德溫·薩佩特（Edwin Ernest Salpeter）分別推測，類星體可能是由吸積氣體的超大質(zhì)量黑洞（supermassive black hole）驅(qū)動的。就在這同一年，天鵝座X1作為恒星級黑洞的候選體也被偶然探測到了。
天鵝座的黑洞為何有這么大的魅力？
從黑洞研究的歷史角度來看，天鵝座X1的發(fā)現(xiàn)具有重要意義。天鵝座X1是天鵝座內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第一顆X射線雙星系統(tǒng)，也是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞雙星系統(tǒng)（這一系統(tǒng)包含一顆黑洞和一顆恒星）。
它在1964年由美國發(fā)射的探空火箭（Aerobee）首次發(fā)現(xiàn)，是賈科尼領(lǐng)導(dǎo)的團隊在為阿波羅登月計劃服務(wù)過程中的偶然發(fā)現(xiàn)。

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