近光速自转、迄今最重的恒星级黑洞,独家专访发现者苟利军

高山大学 · 2021-02-19
15个人的班级,最后只剩3个人。

编者按:本文来自微信公众号“高山大学”(ID:gasadaxue),作者:邱施运,朱珍,邓舒夏,36氪经授权发布。

1916年,德国天文学家卡尔·史瓦西对爱因斯坦场方程求出了一个真空解——黑洞。自此,围绕黑洞的研究贯穿了整个近现代科学史。

不过,一个多世纪以来,一方面人们想找到更多的黑洞,然后所发现的数目也仅仅是理论预言的冰山一角。而另外一个方面,人们也想对找到黑洞的精确性质作出一个精确测量。

尽管望远镜越来越大,观测也从地面进入到了空间,然而精确测量依旧是摆在天文学家面前的一个难题,但也是天文学家的梦想。

2020年诺贝尔物理学奖的获得者安德里亚·格兹(Andrea Ghez)等人就是对于我们银河系中心超大质量黑洞质量的精确测量获得了诺奖。

相比质量而言,对于影响效应仅仅存在于黑洞临近区域的自旋测量难度更大。尽管如此,还是有不少的科学家们持续且努力地做着相应的工作。

近日,来自于澳大利亚、美国和中国的科学家们对人类历史上发现的第一个黑洞——天鹅座X1——的基本性质(包括距离、质量和自转速度及其演化过程)进行了研究,结果发现这个黑洞正以至少95%的光速疯狂自转,并且这颗黑洞的质量在所有已知的X射线系统中排名第一,为21倍的太阳质量。

这项新发现被刊登在2021年2月19日上线的《科学》(Science)和《天体物理期刊》(Astrophysical Journal)上,来自国内的科研团队是中国科学院国家天文台恒星级黑洞研究团组的苟利军研究员及其学生。

论文截图

此次发现对黑洞研究有怎样的价值?黑洞的距离、质量和转速是如何测量到的?高山大学(GASA)独家专访黑洞发现者苟利军,解读这一段科研历程背后的来龙去脉。

质量、速度“双突破”

描述一个黑洞,主要需要两个参数:质量和自转速度。

过去,天文学界对黑洞的质量颇有研究,但对其转速却知之甚少,以致于黑洞的诞生机制及演化路径存在很大的不确定性。

如今,国际团队的合作者借助美国甚大干涉基线射电阵列,利用三角视差的方法测量了距离。而之后,利用黑洞伴星运动的观测数据测量了中心黑洞的质量,这种方法被称之为动力学质量测量方法。

在已知距离、质量等条件的情况下,苟利军所在的团队利用美国的RXTE和钱德拉 X射线卫星数据,测量发现黑洞正在以一个前所未见、高达95%光速的转动,这比目前其它所有黑洞的转动都要快。

在已知黑洞质量和转速以后,作为新的边界条件,能对恒星的演化路径开出更精确的限制,通过计算机的模拟计算,让我们更完整地了解恒星的演化、黑洞的诞生过程。

苟利军团队研究结果示意图

“研究黑洞看似对人们的实际生活没有直接意义,但恒星如何演化,可以说是天文学里各种理论模型的根基。对恒星的演化理解越透彻,我们离宇宙的真相也就越靠近 ”苟利军说。

另外,这个黑洞不仅是拥有最高的转速,它同时也刷新了X射线双星系统中“恒星级黑洞”的质量纪录,高达21倍的太阳质量。

其实早在2011年,苟利军和合作者就曾经对该黑洞进行过测量,但当时得到的质量是太阳的15倍。这次质量增重了约50%,质量增大是因为测量距离的增大。

知识点:X射线双星是能够产生X射线辐射的黑洞双星系统,这些系统中的天体通常彼此距离比较近,X射线辐射来自于黑洞周围的吸积盘。

而有一些系统相距比较较远,此时就没有X射线辐射,只有来自于恒星的光学辐射。

另外,近几年科学家在天文界新宠——引力波的加持下,也发现了大量新的更高质量的“恒星级黑洞”,诞生机制依旧存疑。

如今,正是天鹅座X1黑洞质量和自旋的精确测量,为科学家提供了限制此类恒星演化过程的绝佳机会。这也是这项研究登上《科学》的一大亮点。

天鹅座X1作为唯一一个转动如此之快的黑洞,苟利军的下一步是想找到其它转动有类似转速的黑洞系统,这样有望对于黑洞系统有个比较并且对于黑洞形成机制有一番深入了解。

与此同时,他还想寻找和测量更多黑洞——理论上,我们银河系中存在着上亿颗恒星级黑洞,而目前天文界只探测到了不足百颗,精确测量的系统也只有20多个。

2019年4月10号人类的第一张黑洞照片,甜甜圈般的圆环,其实是黑洞伴星气体所产生的现象,而黑洞区域被称为黑洞阴影

“发现”背后的“原理”

作为深空最漆黑的天体,黑洞的质量和转速,分别是如何测出的?

黑洞的质量并不难被测得。在黑洞周围,往往存在着伴星或者气体,并以黑洞为中心进行绕转。

和太阳与各行星的关系一样,科学家只需测出伴星或者气体绕转的速度以及与黑洞的距离,再代入著名的开普勒公式,便可得出黑洞的质量。

天文学中,这属于一种动力学方法,得出的答案最为精确,但也有其局限性,那就是它对天文观测的分辨率有一定的要求。

当分辨率不能满足要求时,科学家也会用统计学方法。即查看黑洞周围气体或者恒星的各种特性,如运动速度、亮度等,看它们与黑洞的质量有没有相关性,然后再用这些相关性推断黑洞质量。至于相关性是否可靠,就有待于观测的具体验证。

但想要测量黑洞的自转速度,难度就要大得多。

虽然黑洞的质量和转速都会对其周围的空间、天体运动产生影响,但后者的效应范围远远小于前者。

以恒星级黑洞为例,伴星通常位于黑洞之外几百万公里的轨道上,还是能够利用先进的望远镜分辨出其轨道变化,而自转的效应仅仅局限在距离黑洞几百公里的范围内——即便是目前地球上最先进的望远镜,包括拍摄到黑洞照片的望远镜,也分辨不了这个距离。

因此,科学家必须另辟蹊径。

吸积盘气体温度为科学家们提供了一些线索。离黑洞越近的气体,温度会越高,甚至能达到几千万度,而它们的特性也会有所不同。借助X射线空间望远镜探测到这类细小的差别,科学家可以推断出它周边黑洞的转速。

不同转速对黑洞光谱的影响图,图自NASA

“理论上讲,不同转速的黑洞会对吸积盘气体的辐射光谱、温度等物理量造成不一样的影响,那么我们就可以根据这些气体的一些物理量,通过拍摄并且分析光谱来推算黑洞的转速。”苟利军说。这次就是通过称为“连续谱拟合“的方法对于黑洞的自转速度进行了限定。

测量黑洞自转速度的方法不仅只有上述的一种,通常应用的还有通过一些吸积盘发射线拟合的方法。吸积盘除过连续辐射之外,吸积盘中的气体还可能产生一些发射线。

原子在发生“电子跃迁”(指粒子中电子的一种能量变化)时会吸收或者释放光子,形成发射线。由于不同元素的电子轨道不同,其发射线也是独一无二——这就像一个“身份证”,从而帮助科学家辨识宇宙中不同的物质。

这些发射线的光子在逃离黑洞的过程中,必然会受到周围黑洞的引力影响。

为了摆脱引力继续移动,光子会“耗费”一部分的能量,进而使得其电磁辐射的频率变低、波长变长,其发射线会朝红端移动,称之为“引力红移”。所以谱线的形状也携带了黑洞自转的信息。

“聪明的科学家会想出很多不同的方法去测量看似不太可能的事情。不同的方法在一定程度上也可以彼此验证。”苟利军说。

“发现”背后的“科学家”

15个人的班级,最后只剩3个人

Q:天文是一门小众学科,您是怎么踏上这条天文研究道路的?

苟利军:我想起七八年前,《Nature》天文杂志的主编和我聊起一个有趣的统计:90%的小朋友都对两样东西感兴趣,一个是恐龙,另一个是星空。我也曾是这些小朋友之一。

恐龙和星空,都属于特别遥远的时空,一个来自几亿年前的地球,一个来自数十亿光年外的宇宙,因为遥远,所以更充满了浪漫的遐想空间。

想到自己的左手来自几十亿年前爆炸的恒星,而右手来自另一个星系残留的尘埃,自己的身体默默记录了宇宙的痕迹,对宇宙也就更多了一份好奇。

上初中的时候,家里给我买了一台望远镜,当时的条件不太好,那台望远镜,其实比四个世纪前伽利略的第一台天文望远镜还要简陋一些,镜筒都是很多层纸卷在一起做成的,但对当时的我来说是如获至宝,我每天都会拿着它东瞧西望观察星空。

虽然家里没有给予我太多经济上的支持或培养,但精神上,他们一直很尊重和鼓励我对星空的喜爱,给我很多空间做自己的决定。

所以今天我常说,培养孩子的好奇心,能给孩子提供丰富的资源灌溉自然是最好,但做不到也不要紧。只要不去浇灭它,其实就够了。

其实考大学的时候,我特别想上南京大学的天文系,后来复读了一年才考上。

而进了大学以后我才发现,天文学跟之前想象的完全不一样。很多时候大家以为天文就是流星雨和满天星斗,然后趴在草原拿着大型望远镜和各种设备观测星空,特别浪漫,其实不然。

天文学作为一门最古老的科学,除了要通数理化,现在还需要懂计算机,整体任务非常繁重硬核,和浪漫基本摸不着边儿。

到了后期,我的大多数同学都转专业了,趁着科技红利,投入到当时非常热门的计算机行业。

大一时我们班有15个本科生,但最后毕业时只剩下3人。我最终能坚持下来,大概是源于从小就对天文学抱有的热爱和好奇吧。

当然,过程中我也有过动摇,像是在美国博士毕业后找工作那段时期,我申请了OPT(Optional Practical Training,专业实习),半年内必须找到工作。当时不确定能否找到好的研究位置,我已经做好了心理准备转到其他领域上。

不过后来运气也比较好,总算等来了继续做科研的机会。在一位哈佛师兄的指点和帮助下,进入了哈佛继续做博士后研究,才有了我现在对于天文研究的继续。

做科研就像踢足球

Q:在“科学复兴”的路上,高山大学相信“无用之用”,而天文学往往被看作是科学里最“无用”的一支,您怎么看这种观点?

苟利军:的确,大多数情况下,天文学本身对社会没有太多直接的实际应用。

不过学习天文学或科学更深层的意义,其实是训练我们从“认识一件事”到“解决一个问题”的素质。

带着科学思维走入其他领域,看待问题的角度以及解决问的能力往往跟别人有一些差别。

当然,现在的科研也不是“闷头做事”,科研也像商业那样需要大量沟通,像是如何把自己的工作展示给同行或是跨行业、跨学科的人看。

怎么把最精髓的内容在最短的时间内让别人理解,或是反过来,怎么在最短的时间内倾听到对方最核心的内容,都是科研路上的磨练。

这也是我给学生们的建议:学生时期,尽管认真去学。学来的知识不见得能直接挣到钱,但只要累积了核心能力,不管放到哪个领域,都会收获到好结果。

Q:除了做科研,还有哪些事是您生活的动力泉源?

苟利军:我特别喜欢踢足球,在球场上满场飞奔、挥洒汗水让我感到十分畅快,现在每周我都会踢1-2次,从年轻时候一直到现在。

在我心里,踢足球和做科研的快乐是一样的,都是一个在既定的规则下,四处翱翔、肆意挥洒、自由探索的过程。

我挺好动的。除了足球,几乎所有球类比如篮球、羽毛球、乒乓球,攀岩,壁球等等,我都摸遍了。

平时我也特别享受和别人聊天,大家在不同视角的互相聊天中,能把很多东西想得更明白。

爱科研,也爱科普

Q:除了是科研工作者,您还是科普图书编辑、科普短视频博主。您喜欢“科普工作者”这个身份吗?

苟利军:我接触科普,最早是因为《星际穿越》这部电影。因为我本身研究黑洞,电影里精心制作的黑洞画面深深震撼和触动了我,所以一知道它出了同名的科普书,我就赶紧跟同事商量了翻译的事。

随着电影大热,书也受到了广泛关注,不少机构邀请我们做演讲,鬼使神差地就打开了科普这道门。

后来我又翻译了其他书籍,还做了一些科普报告,比如上次在高山大学,我讲了“寻找地外行星以及人类未来”的话题。

Q:科研与科普虽然都关乎科学,但前者专注知识本身,后者追求知识普及。您在从事科普工作时,怎么去平衡专业性和趣味性?

苟利军:这一点我也和大家一样在琢磨。不过不管是科研还是科普,其实有一点是共同的:它们都得讲一个好的故事,不然做出来的科研报告也不会太受欢迎。

我认为,科研与科普最大的一个差别在于精确性。

科研在乎精确,所以必须用一些数学或物理方法,对各种事物进行精确的描述,而科普在于通俗,要尽可能去公式化,通过浅显、具象的故事,把知识的轮廓和主逻辑传递出来。

科学家构建世界,也有点类似于画家描绘世界,只不过我们使用的是数学和物理工具,而画家使用的是画笔。

绘画当中,我们有精细的工笔画,把每一个细节都描绘出来,这就像科研。同时,我们也有写意的山水画,形似或神似就够了,不需要每个细节都到位,这就像科普。

至于勾勒多少细节、故事出来,主要还是取决于科普的对象,因人和因时制宜,所以每一次的科普报告都不会完全一样。

科普除了普及所谓的科学知识之外,还有一个很重要的作用就是散播爱好科学的种子,希望能够听到科学知识的人,在某个适当的时间,这个种子能够唤起他们对于科学的兴趣。

因为社会的发展和进步以及变革,最终都是需要科学的力量来改变。

参考资料:

1.https://science.sciencemag.org/content/early/2021/02/17/science.abb3363

2.https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abbcd6

3.https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abde4a

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