近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究人員茍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(wèi)星（Chandra，Suzaku，和Swift等）數(shù)據(jù)，確認(rèn)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(dòng)量轉(zhuǎn)動(dòng)。該項(xiàng)研究成果已在國(guó)際天文期刊《天體物理學(xué)雜志》（ApJ）發(fā)表。
黑洞被認(rèn)為是性質(zhì)最為簡(jiǎn)單的天體，通常只需三個(gè)量（質(zhì)量、角動(dòng)量、和電荷）就可以完全描述它。而天體物理當(dāng)中的黑洞更為簡(jiǎn)單，質(zhì)量和角動(dòng)量?jī)蓚�(gè)量。角動(dòng)量又常用歸一化的無(wú)量綱自旋參數(shù)來(lái)表示，其絕對(duì)值的變化范圍在0和1之間。0代表施瓦西黑洞（不轉(zhuǎn)黑動(dòng)），1代表極端克爾黑洞（轉(zhuǎn)動(dòng)最大值）；自旋參數(shù)的正負(fù)號(hào)代表了黑洞自旋和吸積盤的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是否一致：一致為正，否則為負(fù)。
天鵝座黑洞是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)黑洞候選體，它存在于一個(gè)雙星系統(tǒng)當(dāng)中。自從20世紀(jì)60年代被發(fā)現(xiàn)，關(guān)于其是否為黑洞的爭(zhēng)論就沒(méi)有停止過(guò)，其中最為出名的就是物理學(xué)家霍金和索恩之間的黑洞之爭(zhēng)，讓此天體變得異常出名。通常來(lái)說(shuō)，判斷一個(gè)天體是否為黑洞的標(biāo)準(zhǔn)是中心天體的質(zhì)量是否大于3—4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。在2011年，茍利軍及其合作者對(duì)此黑洞的距離、質(zhì)量和角動(dòng)量進(jìn)行了精確測(cè)量（誤差小于10%）。光學(xué)波段的數(shù)據(jù)表明這個(gè)黑洞的質(zhì)量大約為15個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，從而確信無(wú)疑地表明中心是黑洞。與此同時(shí)，X射線波段的數(shù)據(jù)分析表明中心黑洞是一個(gè)極端克爾黑洞。這是首次對(duì)天鵝座黑洞做出的完整描述。
極端克爾黑洞，無(wú)論是在限制大質(zhì)量恒星演化、檢驗(yàn)噴流產(chǎn)生機(jī)制，以及驗(yàn)證廣義相對(duì)論等眾多領(lǐng)域，都有著重要作用。尋找極端自旋黑洞將對(duì)這些研究方向提供重要的觀測(cè)限制。盡管2011年的研究結(jié)果表明天鵝座黑洞為極端克爾，但此性質(zhì)需加以確認(rèn)。受觀測(cè)模式和時(shí)間限制，2011年工作所使用的X射線光譜質(zhì)量相對(duì)較差，而且只有一個(gè)符合分析條件的光譜。為了確認(rèn)天鵝座黑洞自旋的本質(zhì)，研究人員申請(qǐng)了更多的X射線望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間和采取了更佳的觀測(cè)模式。在此次發(fā)表的工作中，不僅得到了更多的光譜（5次觀測(cè)11個(gè)光譜，6個(gè)可用光譜），而且光譜質(zhì)量也比之前更好。從而在確認(rèn)之前極端克爾黑洞的同時(shí)，對(duì)此黑洞的角動(dòng)量做出了更強(qiáng)限制：自旋參數(shù)大于0.983（99.7%的概率；最大值為1）。
此研究中所涉及的自旋測(cè)量方法為X射線連續(xù)譜擬合方法，是通過(guò)擬合來(lái)自黑洞吸積盤的整體黑體輻射來(lái)得到自旋值。此方法最初為中科院高能物理研究所/國(guó)家天文臺(tái)的張雙南研究員等人于1997年提出，經(jīng)過(guò)哈佛史密松天體物理中心科研人員的多年努力發(fā)展，目前被公認(rèn)為測(cè)量恒星級(jí)黑洞自旋的最可靠方法。
該項(xiàng)目得到了中科院先導(dǎo)“宇宙結(jié)構(gòu)起源”專項(xiàng)和國(guó)家基金委的重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
天鵝座黑洞系統(tǒng)想象圖。黑洞吸積來(lái)自于藍(lán)巨星伴星的氣體，在其周圍形成吸積盤（紅色）。吸積氣體在落入黑洞之前，有一部分將被用來(lái)產(chǎn)生噴流。（繪圖: NASA/CXC/Weiss）
上圖：日本MAXI/ASM衛(wèi)星觀測(cè)的天鵝座黑洞強(qiáng)度時(shí)間演化圖。下圖：相對(duì)應(yīng)的光譜硬度圖（光譜硬度越低，表明吸積盤成分占主導(dǎo)，虛線之下的數(shù)據(jù)適合于自旋測(cè)量分析）。圖中箭頭和星號(hào)標(biāo)明了各個(gè)衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間。
