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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，國際科學期刊《科學》(Science)雜志和《天體物理學報》(Astrophysical Journal)的三篇文章聯(lián)合發(fā)布了對它的最新精確測量結果——來自澳大利亞、美國和中國的三個團隊分別獨立對黑洞的距離、質量、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倍太陽質量的黑洞，其自轉速度極接近光速。這是目前人類發(fā)現(xiàn)并確認的唯一一個黑洞質量超過20倍太陽質量，且自轉如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。

中國科學院國家天文臺茍利軍研究員及學生趙雪杉、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)——包含一個能產生X射線源的致密天體和一個藍巨星。著名物理學家索恩和霍金曾經為了這個致密天體究竟是黑洞還是中子星立據打賭，霍金堅定地認為它是中子星。20世紀90年代，越來越多觀測證據表明這個致密天體是黑洞，霍金才簽字認輸。

幾十年來，科學家們一直希望能夠精確“描畫”出這個黑洞的性質。2011年，茍利軍和合作者就首次嘗試對這顆黑洞的性質進行精確測量，茍利軍說：“我們當時得出的結果是這個黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質量為14.8倍的太陽質量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉動。”2013年，歐洲航空局的蓋亞(GAIA)衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃對銀河系內的10億顆恒星的距離進行精確測量。其對天鵝座X1的測量結果顯示，它與地球距離大約為7100光年。

此次，澳大利亞柯廷大學的米勒-瓊斯教授帶領的團隊主要完成了對天鵝座X1黑洞距離的測量。團隊利用美國的甚長基線干涉陣列(VLBA)進行觀測，經過一系列復雜的科學計算后，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離為7240光年，精度達到8%。在此基礎上，合作團隊重新分析光學數據，發(fā)現(xiàn)黑洞質量增加了將近50%，為21倍的太陽質量，精度為10%。這是人類目前發(fā)現(xiàn)的唯一一個黑洞質量超過20倍太陽質量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。

茍利軍帶領的研究團隊主要對這一黑洞的自轉速度進行了研究，研究結果同時發(fā)表在《科學》和《天體物理學報》上。他說：“黑洞自轉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)域的吸積盤所產生的光子能量更高的X射線波段數據來推斷。”研究團隊發(fā)現(xiàn)，與之前的研究結果相比，這一黑洞的自轉變快了——黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉，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(tǒng)。而另一篇文章中，科學家們推測，要想形成如此重量并且轉動極快的黑洞，星風損失應該要比之前預計的小好幾倍，而此黑洞的前身星的質量可能是太陽質量的60倍。

茍利軍認為，精確的系統(tǒng)參數測量給人類提供了和引力波所探測到的黑洞進行比較的機會。“天鵝座X1的自轉極快，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)