科學(xué)家對首個恒星級黑洞作出更精確測量

愛因斯坦在 1916 年發(fā)表廣義相對論，描述了引力如何塑造時空結(jié)構(gòu)，那時他便首次預(yù)言了黑洞的存在。但直到 1964 年，天文學(xué)家才在 6070 光年外的天鵝座發(fā)現(xiàn)了一個黑洞。發(fā)射到太空的蓋革計數(shù)器，探測到來自天鵝座 X-1 區(qū)域的宇宙 X 射線。我們現(xiàn)在知道，這些宇宙射線來自于黑洞。但當(dāng)時，對于這些宇宙射線的源頭，科學(xué)家們產(chǎn)生了分歧。斯蒂芬·霍金曾與物理學(xué)家基普·索恩打賭，認(rèn)為不是來自黑洞，但霍金在 1990 年認(rèn)輸。

約 57 年后，科學(xué)家們現(xiàn)在了解到，天鵝座 X-1 的黑洞比最初認(rèn)為的要大得多，我們不得不再次思考黑洞是如何形成和演化的。據(jù)悉，此次觀測是在地球表面進(jìn)行。

這項新研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，澳大利亞科廷大學(xué)國際射電天文學(xué)研究中心的詹姆斯 · 米勒瓊斯是主要作者。米勒瓊斯說：“從某種程度上說，是偶然得到這個結(jié)果的。我們最初并沒有重新測量黑洞的距離和質(zhì)量，但在分析數(shù)據(jù)后，我們意識到其中奧秘?zé)o窮。”

黑洞質(zhì)量非常大，甚至連光都無法逃脫黑洞的引力，更不用說物理物質(zhì)了。不過，有時黑洞會莫名其妙地發(fā)出輻射，向太空拋出電離物質(zhì)。米勒瓊斯及其團(tuán)隊想要研究黑洞如何吸入及排出物質(zhì)，于是對天鵝座 X-1 進(jìn)行了更仔細(xì)的觀察。

團(tuán)隊使用超長基線陣列對黑洞進(jìn)行了6天的觀測。超長基線陣列由 10 臺射電望遠(yuǎn)鏡組成，分布在夏威夷、維爾京群島等美屬各地。射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率與探測月球上 10 厘米物體所需的分辨率相當(dāng)，所用技術(shù)曾為事件視界望遠(yuǎn)鏡所用，拍攝了第一張黑洞照片。

團(tuán)隊測量無線電波、溫度等，模擬了天鵝座 X-1 黑洞和大質(zhì)量超巨星 HDE226868 的精確軌道，這兩個物體彼此圍繞軌道運(yùn)行。了解了每個物體的軌道后，團(tuán)隊就可以推斷出物體質(zhì)量，他們發(fā)現(xiàn)黑洞是 21 個太陽質(zhì)量，比原來設(shè)想的超出約 50%。

黑洞的質(zhì)量取決于幾個因素，尤其是坍縮入黑洞的恒星大小，以及以恒星風(fēng)形式侵蝕掉的質(zhì)量。更熱、更亮的恒星往往會產(chǎn)生更猛烈的恒星風(fēng)，這些恒星也往往更重。因此，一顆恒星質(zhì)量越大，越容易在坍縮之前和坍縮期間因恒星風(fēng)失去質(zhì)量，從而形成質(zhì)量更小的黑洞。

但總的來說，科學(xué)家們認(rèn)為，銀河系中的恒星風(fēng)足夠強(qiáng)大，不管恒星最初有多大，仍可以將黑洞的質(zhì)量限制在 15 個太陽質(zhì)量的范圍內(nèi)。而本次新發(fā)現(xiàn)顯然顛覆了這些預(yù)計。

米勒瓊斯說：“ 發(fā)現(xiàn)一個質(zhì)量比原來范圍大得多的黑洞，（這）告訴我們，最大恒星一生中在恒星風(fēng)中損失多少質(zhì)量的模型必須修正?！?這可能意味著，穿過銀河系的恒星風(fēng)沒有我們想象的那么強(qiáng)大，或者恒星可能以其他方式損失質(zhì)量。或者，黑洞比我們所能預(yù)料的更不穩(wěn)定。

該團(tuán)隊計劃對天鵝座 X-1 進(jìn)行更多觀測。計劃在澳大利亞和南非建設(shè)的平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡等儀器，可以為觀測天鵝座 X-1 黑洞及附近黑洞提供更佳視野。銀河系中可能有 1000 萬到 10 億個黑洞，至少再研究幾個，可能有助于解開這個謎團(tuán)。（綜合整理報道）（編輯/多洛米）