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揭秘!这个史上著名的黑洞是怎样被再次测量的?

2021-02-23 17:24

北京日报客户端

记者:王鸿良

2月19日,来自澳大利亚、美国和中国的科学家联合发布了对天鹅座X1的最新研究结果,三篇论文分别在国际顶级学术期刊《科学》和《天体物理学报》上发表。在重新进行高精度的天体测量后,天鹅座X1距地球的距离被精确限定到约7240光年,该系统中黑洞的质量约为21倍的太阳质量,并以至少95%倍光速的速度在自转。值得一提的是,天鹅座X1是人类发现的第一个恒星级黑洞。

天文学中,观测的对象往往十分遥远,或者十分巨大,要实现对它们的精确测量是非常困难的。我们无法像称量一个皮球一样,将天体拿来放在秤上直接称重,也无法举着皮尺测算天体和我们的距离,但是科学家们还是有办法的。他们竟然测量出了如此遥远的天体的重量、转速、与地球之间的距离,而且这天体是连光都无法逃脱的黑洞!科学家们是如何做到的呢?

来自中国科学院国家天文台的苟利军研究员、博士研究生赵雪杉等是这项研究的中国合作者。今天,北京客户端特约他们就这项研究向读者作科普解读。

问:对于普通读者来说,黑洞是一个十分神秘的存在。能否简单介绍一下黑洞提出和发现的过程?

答:1915年,爱因斯坦提出了广义相对论,几个月之后,身处德国战场的施瓦西在对爱因斯坦场方程做了球形近似之后,就得到了场方程的精确解,这个解体现了一个没有转动的黑洞,这就是我们现在所称的施瓦西黑洞。在我们所了解的真实宇宙中,几乎所有的天体都有角动量,都是处于转动状态,所以大家并不相信施瓦西得到的这个没有转动的解真实存在。

在接下来的几十年中,因为战争不断,相关天文观测十分匮乏。而在理论方面,美籍犹太裔物理学家奥本海默和他的学生在20世纪30年代末期作出了仅有的发现:大质量恒星最后死亡的时候,假如是球对称坍缩,那么,最后会形成一个奇点,这就是我们所说的黑洞。球对称是一种理想情形,在现实中很多时候并不会发生。当时科学家并不知道非球对称是否也会坍缩形成奇点。

可以说,在广义相对论提出之后的40年内,黑洞的实验观测和理论研究都没什么大的进展。所以,在1955年爱因斯坦去世之前,他并不相信黑洞这种天体能够在宇宙中真实存在,即使是他自己提出的理论预言了黑洞的存在。

直到20世纪60年代,黑洞理论和观测方面终于迎来了双重突破。

在理论方面,1963年,新西兰数学家罗伊·克尔得到了旋转黑洞的精确解。1965年,英国牛津大学物理学家彭罗斯将奥本海默和他学生发现的理论拓展到了非球对称的情形,从而在理论上证明了黑洞在宇宙中可以形成并且存在,这也是彭罗斯最终在2020年获得诺贝尔物理学奖的重要原因。

在观测方面,1963年,荷兰天文学家马尔滕·施密特利用海尔望远镜观测得到射电源3C273的光谱,证认出其中的宽发射线实际上是红移后氢的巴尔末线和电离氧的谱线,从而确认类星体产生于一块非常致密并且高速运动的区域。

这之后不久,1964年,苏联理论天文学家雅可夫·泽尔多维奇和伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫,以及奥地利-澳大利亚-美国天文学家埃德温·萨佩特分别推测,类星体可能是由吸积气体的超大质量黑洞驱动的。就在同一年,天鹅座X1作为恒星级黑洞的候选体也被偶然探测到了。

问:据说天鹅座黑洞是史上十分著名的黑洞,能否简单介绍一下有关它的一些情况?

答:从黑洞研究的历史角度来看,天鹅座X1的发现具有重要意义。天鹅座X1是天鹅座内发现的第一颗X射线双星系统,也是人类历史上发现的第一个恒星级黑洞双星系统(这一系统包含一颗黑洞和一颗恒星)。它在1964年由美国发射的探空火箭首次发现,是贾科尼领导的团队在为阿波罗登月计划服务过程中的偶然发现。

天鹅座X1除了能够产生X射线的致密天体之外,还包含一个大质量伴星HDE 226868。HDE 226868是一颗光谱型为O型的蓝超巨星,以5.6天的轨道周期绕着一个看不见(这说明它不像普通恒星那样由核反应供能)的物体运转。随后乌呼鲁卫星的观测揭示了它神秘的光谱特征——它在100毫秒的时间尺度上表现出明显的X射线强度波动,意味着这个X射线信号来源于一个较小的发射区域。

但是在随后的十多年里,对于天鹅座X1的本质——究竟致密天体是黑洞还是中子星,天文学家们一直众说纷纭。20世纪70年代的时候,作为黑洞研究的知名物理学家霍金和索恩甚至为此而打赌立下了字据,霍金认为应该是中子星,而索恩认为是黑洞。到了上世纪90年代,越来越多的观测证据表明,这个系统中心应该是黑洞,霍金才签字表示认赌服输。


霍金和索恩打赌认输签字图。

尽管霍金已经认输,但在发现这一系统40多年之后,仍有许多问题等待科学家解答。比如说距离。距离是了解一个系统最基本的特征参数。但直到2009年时,我们仍无法精确测量它与地球之间的距离,当时只能确定其变化范围在3588光年到8154光年之间。

距离的不确定也影响了质量的测量,因此也无法确定这颗中心黑洞的精确质量。当时认为这颗黑洞质量在2.7倍太阳质量到10.6倍的太阳质量之间。这个质量在很大程度上超过了中子星的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫质量极限——3倍太阳质量,所以基本上确认中心致密天体就是黑洞。

就黑洞而言,它可以说是宇宙中最为简单的一类天体。从物理上而言,只需要三个参数(质量、自转和电荷)就可以完整地描述黑洞。我们地球上的不同物品,不管是桌子还是手机,当它掉入到黑洞中的时候,形状以及组成材质的信息统统就在黑洞当中消失了,最终只可能保留质量等信息。

作为历史上发现的第一个恒星级黑洞系统,除了质量的测量之外,天文学家还想对黑洞的自转速度做一个测量,从而对它做一个完整描述。这将是天文学家深入研究其系统的基础。但由于当时观测精度和测量手段的限制,科学家们一直无法对这个系统的基本性质进行精确的测量。直到2011年,苟利军和他的合作者们发表了一系列论文,对天鹅座X1的系统参数首次进行了全面而精确的测量。而此次测量是事隔10年以后,利用一些新的观测数据,对天鹅座X1系统进行的再次测量。

问:关于天体的距离和质量是怎样测量的,一定涉及很多十分艰深的知识,普通读者难以理解。能否用最简单的语言,提示一下其中的基本道理?

答:用最简单的话说,测量距离时使用的是三角视差方法。

通常而言,是指通过两个不同位置,测量某个天体相对于遥远背景的视线角度变化,然后在已知两个位置距离的情况下,就可以通过求解三角函数得到测量者到物体之间的距离。这种方法是最古老也是目前被认为测量距离最为可靠的方法之一。距今将近2500年的古希腊天文学家和数学家阿里斯塔克斯就利用类似方法测量了地月之间的距离。不过,由于距离越远,物体对于视线变化所张开的角度变化就越小,会导致测量难度不断加大。因此这种方法多应用于一些临近天体的距离测量中。

之所以能够利用地面上的望远镜对天鹅座X1的距离进行测量,也是因为分布于美国10个地点的望远镜,能够通过干涉方式形成一个直径几千公里的虚拟望远镜,从而可以分辨出微小的角度变化。这种技术和2017年拍摄黑洞照片的望远镜所使用的技术一致。


三角视差的展示图。

而测量质量所使用的是动力学方法。

也就是通过测量伴星围绕黑洞运动的速度和伴星与黑洞之间的轨道半径来推断质量。在高中学物理的时候,我们学过如何测量太阳的质量,具体的过程就是已知地球的转动速度,以及日地之间的距离,用开普勒定律来推算太阳的质量。

当然,在太阳系中,测量地球或者其他类似天体的质量相对比较简单,然而真正应用于宇宙当中的天体尤其黑洞系统时,会复杂一些。

黑洞质量的测量依靠伴星的运动,因为彼此相隔几百万公里,对于目前的天文学测量精度而言,是可以测量到的级别。然而自转仅仅影响靠近黑洞视界面大约几百公里的范围,这对于我们目前的测量水平来说,尺度太小、难度太大,目前还无法直接测量,只能够通过间接的方式测量。

我们团队领衔了黑洞自旋的测量工作,推断得到比之前测量结果更高的黑洞转速,发现黑洞视界面在以95%的光速转动,这是目前有精确测量的自旋最快的黑洞。

科学家们只能依靠观测数据、数学模型和理论基础来“估量”天体的参数,与此同时,还需要不断改进设备,进行长期观测,才有可能取得更加接近宇宙天体本来面目的测量结果。

2020年获得诺奖的两位实测天文学家赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹就是凭借着几十年的持续努力,采用最先进的观测技术,最终精确测量了银河系中心致密天体的质量而最终获得了这一殊荣。在荣誉之外,正是通过众多天文学家对于星空不同视角的持续探测,才让我们更好地了解星空,认识我们所处的这个宇宙。

(原标题:揭秘|这个史上著名黑洞是怎样被再次测量的?)

来源:北京日报客户端 记者:王鸿良

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