科学家对首个恒星级黑洞作出更精确测量

时间:2021-04-07

愛因斯坦在 1916 年发表广义相对论,描述了引力如何塑造时空结构,那时他便首次预言了黑洞的存在。但直到 1964 年,天文学家才在 6070 光年外的天鹅座发现了一个黑洞。发射到太空的盖革计数器,探测到来自天鹅座 X-1 区域的宇宙 X 射线。我们现在知道,这些宇宙射线来自于黑洞。但当时,对于这些宇宙射线的源头,科学家们产生了分歧。斯蒂芬·霍金曾与物理学家基普·索恩打赌,认为不是来自黑洞,但霍金在 1990 年认输。

约 57 年后,科学家们现在了解到,天鹅座 X-1 的黑洞比最初认为的要大得多,我们不得不再次思考黑洞是如何形成和演化的。据悉,此次观测是在地球表面进行。

这项新研究发表在《科学》杂志上,澳大利亚科廷大学国际射电天文学研究中心的詹姆斯 · 米勒琼斯是主要作者。米勒琼斯说:“从某种程度上说,是偶然得到这个结果的。我们最初并没有重新测量黑洞的距离和质量,但在分析数据后,我们意识到其中奥秘无穷。”

黑洞质量非常大,甚至连光都无法逃脱黑洞的引力,更不用说物理物质了。不过,有时黑洞会莫名其妙地发出辐射,向太空抛出电离物质。米勒琼斯及其团队想要研究黑洞如何吸入及排出物质,于是对天鹅座 X-1 进行了更仔细的观察。

团队使用超长基线阵列对黑洞进行了6天的观测。超长基线阵列由 10 台射电望远镜组成,分布在夏威夷、维尔京群岛等美属各地。射电望远镜的分辨率与探测月球上 10 厘米物体所需的分辨率相当,所用技术曾为事件视界望远镜所用,拍摄了第一张黑洞照片。

团队测量无线电波、温度等,模拟了天鹅座 X-1 黑洞和大质量超巨星 HDE226868 的精确轨道,这两个物体彼此围绕轨道运行。了解了每个物体的轨道后,团队就可以推断出物体质量,他们发现黑洞是 21 个太阳质量,比原来设想的超出约 50%。

黑洞的质量取决于几个因素,尤其是坍缩入黑洞的恒星大小,以及以恒星风形式侵蚀掉的质量。更热、更亮的恒星往往会产生更猛烈的恒星风,这些恒星也往往更重。因此,一颗恒星质量越大,越容易在坍缩之前和坍缩期间因恒星风失去质量,从而形成质量更小的黑洞。

但总的来说,科学家们认为,银河系中的恒星风足够强大,不管恒星最初有多大,仍可以将黑洞的质量限制在 15 个太阳质量的范围内。而本次新发现显然颠覆了这些预计。

米勒琼斯说:“ 发现一个质量比原来范围大得多的黑洞,(这)告诉我们,最大恒星一生中在恒星风中损失多少质量的模型必须修正。” 这可能意味着,穿过银河系的恒星风没有我们想象的那么强大,或者恒星可能以其他方式损失质量。或者,黑洞比我们所能预料的更不稳定。

该团队计划对天鹅座 X-1 进行更多观测。计划在澳大利亚和南非建设的平方公里阵列射电望远镜等仪器,可以为观测天鹅座 X-1 黑洞及附近黑洞提供更佳视野。银河系中可能有 1000 万到 10 亿个黑洞,至少再研究几个,可能有助于解开这个谜团。(综合整理报道)(编辑/多洛米)

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