?重測黑洞，晃動恒星演化理論大廈

再指天鵝座X-1：新的黑洞信息晃動恒星演化理論的大廈

上圖為藝術(shù)設(shè)想圖，一顆藍(lán)超巨星外層正受天鵝座X-1黑洞的引力拉拽逐漸變成其吸積盤的一部分。圖源：國際射電天文研究中心。

要知道，理論物理學(xué)家對黑洞存在性的論證與真正發(fā)現(xiàn)黑洞是有很大差別的，因此天鵝座X-1黑洞身份的證認(rèn)工作令科學(xué)家們激動萬分?，F(xiàn)在，他們又一次興奮起來，還帶著些許困惑：研究表明，這顆黑洞的質(zhì)量比之前他們所認(rèn)為的要大得多。而事實(shí)上，“質(zhì)量”這個關(guān)鍵因素的變化讓我們對已知的恒星演化理論產(chǎn)生了懷疑。

天鵝座X-1是一個強(qiáng)X射線源，在1964年一次短暫的火箭飛行探測中被發(fā)現(xiàn)（該任務(wù)旨在探測被大氣遮蔽的X射線波段信息）。1975年，史蒂芬·霍金向基普·索恩打賭說這個X射線源并不是黑洞，十六年后，他認(rèn)輸了。

上圖為霍金與索恩年輕時(shí)的照片。兩人曾在“天鵝座X-1射電源是否為黑洞”一事中打賭，并設(shè)立了一些賭注。圖源：Wikipedia。

莫納什大學(xué)的伊利亞·曼德爾教授曾用甚長基線陣列測量天鵝座X-1星體相對遙遠(yuǎn)星系背景的移動（地球位于太陽兩側(cè)時(shí)分別測量其相對星系背景的位置）。《科學(xué)》雜志中，他給出視差測量的結(jié)果：天鵝座X-1與我們相距約7100光年，大大超出之前的估計(jì)。

上圖是測量周期為6個月的視差測量方法，其測得天鵝座X-1離我們七千多光年遠(yuǎn)。圖源：國際射電天文研究中心。

曼德爾提到：“天鵝座X-1系統(tǒng)中的黑洞是由一顆初始質(zhì)量約為60倍太陽質(zhì)量的恒星在數(shù)萬年前坍縮形成的。更難以置信的是，這個黑洞以其超巨星伴星為中心，在五分之一日地距離處飛速繞轉(zhuǎn)著，平均五天半就可繞轉(zhuǎn)一圈?！?/p>

通過新的距離數(shù)據(jù)可以得到這個系統(tǒng)的尺度信息：天鵝座X-1星體質(zhì)量約為21倍太陽質(zhì)量，比之前認(rèn)為的大40%。

與星系中心常有的超大質(zhì)量黑洞相比，這顆黑洞簡直太小了，不過這依然不影響它坐上“已知銀河系內(nèi)類太陽金屬豐度恒星衰亡產(chǎn)生的最大質(zhì)量黑洞”的“王座”。

上圖為星系中心超大質(zhì)量黑洞的藝術(shù)設(shè)想圖。中央光柱為黑洞噴流。圖源：Wikipedia。

黑洞是超巨星經(jīng)過超新星爆發(fā)后留下的“寶藏”。盡管恒星的初始質(zhì)量最大可超過100個太陽質(zhì)量，在演化晚期，也會被極度活躍的星風(fēng)剝離出大部分物質(zhì)。因此，除去那些被剝離的物質(zhì)質(zhì)量，恒星演化形成的黑洞質(zhì)量范圍應(yīng)在2~16個太陽質(zhì)量之間。之前對天鵝座X-1黑洞質(zhì)量的估計(jì)已經(jīng)很接近最大值了，現(xiàn)在，很明顯，這顆黑洞“出線”了。

上圖為LIGO的其中一個探測器，位于華盛頓州漢福德。圖源：Wikipedia。

LIGO（激光干涉引力波天文臺）目前已探測到了來自50多倍太陽質(zhì)量黑洞并合產(chǎn)生的引力波。理論上講，這類大質(zhì)量的恒星級黑洞前身星更可能是那些極低鐵豐度的恒星，因?yàn)檫@類恒星演化過程中星風(fēng)更弱，更多的物質(zhì)可以被保留下來。而目前銀河系內(nèi)新形成的恒星普遍有較高的金屬豐度，這意味著星風(fēng)會很強(qiáng)，大量物質(zhì)會被剝離出去，想要形成如此大質(zhì)量的恒星級黑洞是困難的。

上圖為LIGO探測到的黑洞/中子星并合事件（藍(lán)色點(diǎn)與橘黃色點(diǎn)）所涉質(zhì)量與過去已知黑洞/中子星質(zhì)量（紫色與黃色）對比，以太陽質(zhì)量為單位準(zhǔn)確標(biāo)注。圖源：LIGO Caltech

曼德爾在IFIscience（愛科學(xué)新聞網(wǎng)）中提到：“恒星質(zhì)量越大，星風(fēng)就會越強(qiáng)，所以恒星初始質(zhì)量的增長并不會對它形成的黑洞質(zhì)量有太大影響?！?/p>

“理論上分析，大質(zhì)量恒星級黑洞可能是在一個三合星系統(tǒng)環(huán)境下形成，并通過對第三顆恒星的吸積來增大它的質(zhì)量的。三合星系統(tǒng)中，黑洞對那顆擁有足夠質(zhì)量的“額外”恒星的吸積將拉長其與另一顆恒星相互繞轉(zhuǎn)的軌道，這種狀態(tài)在吸積完成后仍然維持著”，曼德爾補(bǔ)充說：“三合星系統(tǒng)需要一些不尋常的東西才能留下像這樣的雙星圓軌道，涉及到大質(zhì)量恒星的事件未必會很簡單”。

《天體物理學(xué)雜志》中的一篇論文給出了目前最可能的解釋：我們可能高估了恒星演化中的質(zhì)量損失。曼德爾提到：“最近一些理論學(xué)家正討論過高估計(jì)的可能性，而我們的觀測結(jié)果正好給理論提供了一定限制?！?/p>

Fy：Stephen Luntz

FY: 蘭陵花

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