观测 十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它
出品：科普中国
【 观测|十年前我们测量了一个黑洞，现在发现当年“小看”了它】制作：苟利军（中国科学院国家天文台研究员）
赵雪杉（中国科学院国家天文台在读博士研究生）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
天上的星星有多重？这个问题你能回答吗？
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。
北京时间2月19日凌晨，三篇论文分别在国际顶级学术期刊《科学》（Science）和《天体物理学报》(Astrophysical Journal）上发表，来自于澳大利亚、美国和中国的科学家们联合发布了对黑洞X射线双星天鹅座X1（Cygnus X-1）的最新研究结果。
在重新进行高精度的天体测量后，天鹅座X1的距离被精确限定到约7240光年（2.2千秒差距），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。
这些精确的测量结果成为我们深入了解类似黑洞系统的第一步，科学家们首先就利用此结果对于恒星演化过程做出更好的限制，结果发现大质量恒星演化末期通过星风损失质量的效率比预期中要低。
其中，来自中国科学院国家天文台的苟利军研究员、博士研究生赵雪杉以及硕士毕业生郑雪莹是发表在《科学》杂志上的文章的合作者，还分别以第一作者和通讯作者的身份，在《天体物理学报》上发表了关于黑洞自旋精确测量的详细工作。
文章插图
论文截图｜图片来源：《科学》杂志
他们竟然测量出了如此遥远的天体的重量、转速，和地球之间的距离，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？
黑洞：爱因斯坦一度不相信它真实存在
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，这就是我们现在所熟知的施瓦西黑洞。
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，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。
在20多年后的1965年，英国牛津大学物理学家彭罗斯将此理论拓展到了非球对称的情形，从而从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。
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。
1963年，新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr）得到了旋转黑洞的精确解。同一年，荷兰天文学家马尔滕·施密特（MaartenSchmidt）利用海尔望远镜（Hale）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（quasar）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（Yakov Zeldovich）和伊戈尔·德米特里耶维奇·诺维科夫（Igor Dmitriyevich Novikov），以及奥地利-澳大利亚-美国天文学家埃德温·萨佩特（Edwin Ernest Salpeter）分别推测，类星体可能是由吸积气体的超大质量黑洞（supermassive black hole）驱动的。就在这同一年，天鹅座X1作为恒星级黑洞的候选体也被偶然探测到了。
天鹅座的黑洞为何有这么大的魅力？
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（Aerobee）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。
推荐阅读
- 柿子的营养价值 柿子的保存方法
- 辣根的功效与作用
- 十大减肥水果排行榜是什么
- 2022最新9部古装剧推荐 爆新剧照什么时候播
- 一树槐花十里香，宛如白雪树间藏。又到了槐花盛开的季节，槐花怎么做既美味又营养呢？
- 看十大寿星咋生活
- 中老年人的十大健康新标志
- 美丽肌肤 十大水果排行榜（水果食疗）
- 全国试管婴儿成功率排名在前十名的医院有哪些?
- 作家格十三喊话冯小刚质疑北辙南辕台词抄袭其旧作