【科讯】【SCIENCE】过了个年，天鹅座的黑洞就长胖了！

2021年2月19日，国际权威杂志Science（《科学》）公布了一个国际天文学家合作团队的结果：天鹅座那个著名的黑洞突然“长”胖了！

这个国际团队研究这次研究的黑洞就是大名鼎鼎的“天鹅座X-1”中的“V1357 Cyg”。为了阅读简单，我们称之为“天鹅座X-1黑洞”。

图：天鹅座X-1的位置。天鹅座的几颗亮星连起来就像一只展翅飞翔的天鹅，天鹅座X-1据位于其左边翅膀与尾巴所夹的区域。

来源：IAU and Sky & Telescope magazine (Roger Sinnott & Rick Fienberg)，Wikipedia

这个国际团队由国际射电天文研究中心与澳大利亚科廷大学（James C. A. Miller-Jones教授，Arash Bahramian）、美国圣迭戈州立大学 (Jerome A. Orosz)、澳大利亚莫纳什大学（Ilya Mandel教授，Coenraad J. Neijssel）、中国科学院大学与中国科学院国家天文台（苟利军教授，Xueshan Zhao, Xueying Zheng）以及其他多个国家的天文学家组成。参与单位与研究人员的完整列表见文末链接的论文。

这篇论文的第一作者与通讯作者为James C. A. Miller-Jones，以下简称其为米勒-琼斯。

这篇论文宣布：天鹅座X-1黑洞的距离比之前测量的距离更远，据新的距离计算出的质量达到大约21个太阳的质量，比此前计算的质量高出近50%——此前天文学家测出它的质量的最新的数值是14.8个太阳质量。

因此，这个黑洞突然长胖的原因是天文学家得到了更精确的距离，而不是春节期间暴饮暴食导致的。

天鹅座X-1

1964年，一枚亚轨道火箭从新墨西哥州的白沙导弹基地起飞，它一边飞行，一边旋转，搭载在火箭上的一对盖革计数器跟着火箭不断旋转，从而巡视了几乎整个天空，发现了多个X射线发射源。

这些X射线源中的一个位于天鹅座方向，它被命名为天鹅座X-1（Cygnus X-1）。

随着此后的后续观测与分析，到1973年时，大多数天文学家认为这是一个包含着黑洞的系统。在这个系统内部，一颗黑洞与它的“伴星”构成“双星”，二者绕着共同的中心点“画圈”，就像舞池里跳双人舞的两人在旋转。

图：星系中的黑洞与黑洞周围的恒星的模拟图。来源：Wikipedia

在天鹅座X-1系统中，黑洞与伴星的距离为大约3000万千米，是地球与太阳之间平均距离的5分之1。如此近的距离使得这个系统每过5.6天就可以绕着中心转一圈。

与伴星的距离太近，还使得这个黑洞可以很容易从伴星那里窃取到物质。这个黑洞从伴星那里“窃取”出物质后，后者在黑洞附近堆积成一个盘状的结构——吸积盘。吸积盘的物质不断进行新陈代谢：内侧物质落入黑洞，新的物质继续补充到盘外侧区域。

动图：天鹅座X-1内部的黑洞从伴星“窃取”物质的艺术想象图的动图。黑洞吸出伴星的物质，形成一个吸积盘，物质最终落入黑洞，同时在黑洞旋转轴方向形成一对速度接近光速的喷流。

Credit: International Centre for Radio Astronomy Research

https://scitechdaily.com/first-black-hole-ever-detected-cygnus-x-1-is-much-more-massive-than-we-thought/ 

盘内物质下落的的过程中，互相摩擦，温度可以升高到几百万度，从而发出强烈的X射线辐射。这样的系统就被称为“X射线双星”。天鹅座X-1就是一个包含着黑洞的“X射线双星”。

图：天鹅座X-1的X射线假色图像。这张图像的数据来自2001年5月23日升空的气球探测器。这个气球在海拔39千米的高空时，上面的探测器探测到X射线数据。 

Credit: NASA/Marshall Space Flight Center

新观测，新质量

从2016 年5月29日到6月3日，米勒-琼斯主导的团队使用“甚长基线阵列” (VLBA) 观测了天鹅座X-1黑洞，每天观测一次。这6天时间内，这个黑洞已经绕中心绕了新的一圈。

这个团队将新数据与此前的数据结合，然后进行了复杂的分析，最终得到了这个黑洞与地球的距离的最佳值为7242光年 (2.22 kpc) ，上下误差范围分别为587 (0.18 kpc) 光年与555光年 (0.17 kpc) 。

此前，Reid领衔的哈佛大学、麻省理工学院与圣迭戈州立大学的天文学家团队使用甚长基线阵列测出的天鹅座X-1的距离的最佳值为6067光年，误差约为360光年。

米勒-琼斯团队得到的值是此前Reid团队得到的1.2倍。

在得到新的距离之后，这个团队重新计算了这个黑洞的质量，得到的数值是21.2倍太阳质量（误差范围是2.2倍太阳质量）；这个黑洞的伴星的质量被确定为40.6倍太阳质量（误差分别为7到8倍太阳质量）。

这个新的数值直接破了此前的记录。此前人们在X射线双星中发现的最“重”的黑洞位于M33 X-7之中，它的质量是太阳的15.65倍（误差为1.45倍太阳质量）。

恒星演化模型，你还行吗？

这个结果也挑战了恒星演化模型。为什么说“也”呢？因为此前就有一些结果在不断挑战恒星演化模型了。

这个黑洞是由一颗大质量恒星演化而来的。这颗恒星一开始的质量大约为太阳质量的60倍。

到了生命末期，它可能爆发为超新星，将外层的一部分物质喷发出去，核心留下的物质则塌缩为一个黑洞；但它也可能直接塌缩为一个黑洞，完全不喷发出物质，或者只将外层的少量物质喷发出去——“失败的超新星”。

图：N6946-BH1可能就是一颗失败的超新星。这颗恒星位于旋涡星系NGC 6946，距离地球大约2200万光年。2007年，哈勃的WFPC2拍摄的图像中有这颗恒星，到2015年，哈勃的WFC3拍摄的图像中就找不到这颗恒星了。天文学家认为这颗恒星并未爆发为超新星，而是直接收缩为黑洞，成为一颗“失败的超新星”。

Credit: NASA, ESA, and C. Kochanek (OSU)

https://www.spacetelescope.org/images/opo1719b/ 

现在让团队感到困扰 (gāo xìng) 的是：根据恒星演化理论，这个黑洞不可能这么重。根据恒星演化理论，要想让恒星形成这么重的恒星级黑洞，有一个很特殊的要求：恒星的金属含量必须足够低，这样它的星风就没那么猛烈，在其活着的岁月中只吹走一小部分物质，这样的守财奴一样的恒星才可以在最后的时刻形成这么重的黑洞。

但是，根据天文学家对这个系统的观测与分析，这个黑洞在自己还是恒星的青葱岁月中，金属含量并不低，因此应该是个败家玩意，那么它又如何能够在生命的最后时刻让自己制造出这么大一个黑洞呢？

当然，聪明如你，可能会想到：这个黑洞不是一直在吃它的伴星的白食吗？也许它诞生时并不重，只是后来吃了太多白食，把自己吃成这样子。

不过，事实证明这个黑洞的食量也是有限的：它每年从伴星那里吃的物质的最大可能值也只能是太阳质量的2000万之1倍。经过2000万年，也才吃了1个太阳那么重的物质，而它成为黑洞并开始吃白食的历史最多也不过几百万年。所以即使减去这远不到一个太阳的摄入量，它依然重到难以理解。

何况，团队中的作者之一、莫纳什大学的Ilya Mandel教授在新闻采访中说这个黑洞是在几万年前形成的，那么它形成以来吃的霸王餐还真是微不足道了。

现在，恒星演化理论忍不住了：这么说，怪我咯？

没错，就怪你了……

虽然这次恒星演化理论好像又被摁在地上摩擦，但我们要知道，任何理论都可能是不够完善的，后续的实验或观测会不断修正它们，让它们更加完善。

为了解释这个奇怪的问题，这个团队的一部分成员在《天体物理学杂志》 (The Astrophysical Journal) 发表了一篇论文，论文的第一作者是莫纳什大学的Neijssel。由于涉及到太过于细节的部分，这里就略过了，有兴趣进一步了解的读者可以点击后面给出的论文的链接。

虽然是胖子，但却是敏捷的胖子

让我们先不去纠结那个恒星如何会在疯狂败家之后还会在最后制造出这么重的一个黑洞——纠结也没有用。我们马上要面对另一个事实：这个黑洞虽然是一个胖子，但却是一个敏捷的胖子。

根据这个团队的分析，这个黑洞转动的速度达到光速的0.9696倍以上，甚至可能达到0.9985倍。虽然黑洞吞噬伴星物质的过程中会让自己的旋转加快，但即使这个黑洞以极限速度吃东西，也不可能让自己加速到这么快。

为了解释这个奇怪的问题，这个团队的一部分成员在《天体物理学杂志》发表了另一篇论文，论文的第一作者是中国科学院国家天文台的博士研究生Xueshan Zhao，通讯作者是其导师Lijun Gou（苟利军）教授。由于这篇文章也涉及到太过于细节的部分，这里就略过了，有兴趣的读者可以点击文章后面提供的链接。

总结

从被发现以来，天鹅座X-1一直是被密切关注、观测的天体系统。这次的一系列针对天鹅座X-1黑洞的研究，不仅改进了人们在这方面的研究，还提出了新的问题与可能性。

这次参与米勒-琼斯团队研究的苟利军教授也是2011年的Reid研究团队的一员。祝贺苟利军教授及其学生/合作者。

顺便说几句，对天鹅座X-1的本质的探讨，还是霍金 (Stephen Hawking) 逢赌必输的开端。1974年，霍金与索恩 (Kip Thorne) 打赌，他打赌天鹅座X-1里面的天体并不是黑洞。如果笔者没有记错的话，霍金后来回忆说，当时他心里也希望那是一个黑洞，他之所以那么下注，是希望自己即使输了，自己心里的预期反而实现了。1990年，霍金很愉快地承认自己赌输了。

此后霍金赌瘾大发，接连在1991年、1997年针对黑洞有关的问题与人打赌，全输了。最后，他还因为曾经与人打赌“希格斯粒子”不存在而在后来输给别人100美元。当然，我们要学习霍金勤奋做研究、身残志坚的精神，而不能学习他喜欢打赌、而且逢赌必输的精神。

图：打死也不能赌博。来源：《武林外传》

参考论文及其链接（注：所有论文都给出链接1与链接2两种链接，所有人都可以通过链接2直接免费阅读、下载原文）：

1、Miller-Jones, J. C. A., Bahramian, A., Orosz, J. A., et al. 2021,“Cygnus X-1 contains a 21-solar mass black hole – implications for massive star winds” 18 February 2021, Science.链接1：https://science.sciencemag.org/content/early/2021/02/17/science.abb3363 链接2：https://arxiv.org/pdf/2102.09091.pdf 2、Neijssel1, C. J., Vinciguerra, S., Vigna-Gómez, A., et al. 2021, “Wind mass-loss rates of stripped stars inferred from Cygnus X-1” 18 February 2021, The Astrophysical Journal.链接1：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abde4a 链接2：https://arxiv.org/pdf/2102.09092.pdf 3、Zhao Xueshan, Gou Lijun, Dong Yanting, et al. 2021,“Reestimating the Spin Parameter of the Black Hole in Cygnus X-1” 18 February 2021, The Astrophysical Journal.链接1：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abbcd6 链接2：https://arxiv.org/pdf/2102.09093.pdf 

编辑：王茹茹

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文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表22篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。

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