天文台確認天鵝座黑洞極端克爾特性

  近日,國家天文台研究人員苟利軍和其哈佛史密松天體物理中心的合作者利用多次X射線衛星(Chandra,Suzaku,和Swift等)數據,確認了天鵝座黑洞(Cygnus X-1)為極端克爾的特性,黑洞在以接近理論最大值的角動量轉動。

  黑洞被認為是性質最為簡單的天體,通常只需三個量(質量、角動量和電荷)就可以完全描述它。而天體物理當中的黑洞更為簡單,質量和角動量兩個量。角動量又常用歸一化的無量綱自旋參數來表示,其絕對值的變化範圍在0和1之間。0代表施瓦西黑洞(不轉黑洞),1代表極端克爾黑洞(轉動最大值);自旋參數的正負號代表了黑洞自旋和吸積盤的轉動方向是否一致:一致為正,否則為負。

  天鵝座黑洞是人類歷史上發現的第一個黑洞候選體,它存在於一個雙星系統當中。自從20世紀60年代被發現,關於其是否為黑洞的爭論就沒有停止過,其中最為出名的就是物理學家霍金和索恩之間的黑洞之爭,讓此天體變得異常出名。通常來說,判斷一個天體是否為黑洞的標準是中心天體的質量是否大於3—4個太陽質量。

  在2011年,苟利軍及其合作者對此黑洞的距離、質量和角動量進行了精確測量(誤差小於10%)。光學波段的數據表明這個黑洞的質量大約為15個太陽質量,從而確信無疑的表明中心是黑洞。與此同時,X射線波段的數據分析表明中心黑洞是一個極端克爾黑洞。這是首次對天鵝座黑洞做出的完整描述。

 

  極端克爾黑洞,無論是在限制大質量恆星演化、檢驗噴流產生機制,以及驗證廣義相對論等眾多領域,都有著重要作用。尋找極端自旋黑洞將對這些研究方向提供重要的觀測限制。儘管2011年的研究結果表明天鵝座黑洞為極端克爾,但此性質需加以確認。

  受觀測模式和時間限制,2011年工作所使用的X射線光譜質量相對較差,而且只有一個符合分析條件的光譜。為了確認天鵝座黑洞自旋的本質,研究人員申請了更多的X射線望遠鏡觀測時間和採取了更佳的觀測模式。在此次發表的文章中,不僅得到了更多的光譜(5次觀測11個光譜,6個可用光譜),而且光譜質量也比之前更好。從而在確認之前極端克爾黑洞的同時,對此黑洞的角動量做出了更強限制:自旋參數大於0.983(99.7%的概率;最大值為1)。

  此研究中所涉及的自旋測量方法為X射線連續譜擬合方法,是通過擬合來自黑洞吸積盤的整體黑體輻射來得到自旋值。此方法最初為高能物理所/國家天文台的張雙南研究員等人於1997年提出,經過哈佛史密松天體物理中心科研人員的多年努力發展,目前被公認為測量恆星級黑洞自旋的最可靠方法。

  此項目得到了中科院先導“宇宙結構起源”專項和國家基金委的重點項目的資助。





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