科学家是怎么称黑洞质量的?

出品：科普中国 制作：国家天文台黑洞来客团队 监制：中国科学院计算机网络信息中心

好奇君：你最喜欢什么季节呢？

国家天文台砺珺：夏天。

好奇君：为什么？

国家天文台砺珺：在夏天，可以清楚地观测到我喜欢的天鹅座。

好奇君：为什么喜欢天鹅座？因为它像一只天鹅？

国家天文台砺珺：天鹅座由升到落，真如同天鹅飞翔一般——它侧着身子由东北方升上天空，到天顶时，头指南偏西；移到西北方时，变成头朝下尾朝上，没入地平线。天鹅座也是人类目前对地外行星研究的最为深入的一块区域，“行星猎手”开普勒望远镜就是一直指向这块区域并进行观测的。其实不仅如此，年轻时候，我还曾花了两年时间（其实也就是五六年前……呃）测量过一个天鹅座的黑洞！

图一：天鹅座图-开普勒卫星观测现场

好奇君：啥？！什么黑洞？距离我们多远？

国家天文台砺珺：天鹅座X-1，英文名字叫做Cygnus X-1，距离我们地球7800光年。其实人们目前已经在天鹅座中发现了几个黑洞，包括天鹅座X-3（Cygnus X-3）和2015年6月份刚刚爆发过的天鹅座V404黑洞（V404 Cygni）。天鹅座X-1是人类最早发现的一个X射线源，所以命名为X-1。类似地，天鹅座X-3是这个星座中发现的第三个。而天鹅座V404最早是在光学波段发现的，所以它的名字（V404）和其它两个（X-1，X-3）有些不同。

好奇君：在你认定天鹅座X-1是一个黑洞之前，人类觉得它是什么？

国家天文台砺珺：人们只是觉得它可能是一个黑洞，但不是很确定。因为中子星也可以产生比较类似的现象，中子星与黑洞最大的区别就在于质量。如果中心天体的质量大于3个太阳质量，我们通常认为它是黑洞，否则很可能是中子星。天鹅座X-1是人类发现的第一个黑洞候选体。其实，上世纪七十年代，它刚刚被发现时，地球上最聪明的两个大脑——史蒂芬·霍金（Stephen W. Hawking）和基普·索恩（Kip S. Thorne）——就为它是不是黑洞而打了个赌。霍金下的赌注是一整年的成人杂志《阁楼》，而索恩的赌注则是《私人侦探》（Private Eye）杂志。

而在1990年前后，在当时的观测证据表明，天鹅座X-1有90%的可能性是一个黑洞的时候，霍金认输了。当时，黑洞的质量很不确定，从差不多2个太阳质量到11个太阳质量。尽管很大可能性是黑洞，但是还是有一部分可能性是中子星的。另外也因为这是人类发现的第一个黑洞候选体嘛，所以我们就打算仔细地对其进行研究。在2009年到2011年的几年时间里，我们通过好几种观测手段，对天鹅座X-1黑洞做了一个全面的测量和研究。

好奇君：你都为这只黑洞测了哪些东西？身高体重三维心率吗？……

国家天文台砺珺：嗯，差不多是体重之类的。有三个量比较主要，第一是地球到黑洞的距离，第二是黑洞的质量，第三是黑洞的转动速度。

好奇君：X-1距离地球那么遥远，你是怎样知道具体距离的呢？

国家天文台砺珺：我们所使用的工具是甚长基线射电阵（Very Large Baseline Array ，VLBA)，它位于美国，由十个不同地点的25米射电望远镜组成。我们知道，尽管我们看不到黑洞，但黑洞会产生喷流，喷流会在射电波段产生比较强的辐射，我们就可以在射电望远镜观察到黑洞的位置了。

然后，我们会选择一年中的不同时间，比如春分和秋分，来观测喷流相对于其它某个遥远天体的位置变化，之后利用简单的三角函数关系，就可以得到地球距离黑洞的距离。

这种方法叫做三角视差法，是最原始也是最可靠的距离测定方法。要知道，在古希腊，人们就是用这方法来估算月球与地球之间距离的。

图二甚长基线射电阵（Very Large Baseline Array，VLBA)

好奇君：那个黑洞是胖子还是瘦子？你怎么测量的呢？

国家天文台砺珺：天鹅座X-1黑洞可以算是恒星级黑洞中的胖子。因为在目前质量得到确认的20多个类似黑洞中，绝大多数的黑洞质量差不多等于8个太阳质量，而我们测得的X-1黑洞的质量大约在14到16个太阳质量之间。

测量质量的基本原理比较简单，如果知道黑洞伴星运动的速度以及伴星和黑洞之间的距离，就可以利用简单的牛顿定律得到黑洞质量。这就像我们利用同样地方法可以测得地球的质量一样。但在实际观测当中，情形依然比较复杂。

好奇君：天鹅座X-1黑洞在转动吗？

国家天文台砺珺：嗯，是的，到目前为止，我们利用X射线研究了10多个黑洞，发现它们都在转动。只不过有的转动得快，有的转动得比较慢。天鹅座X-1则是目前已知黑洞中转得最快的。所以，在X-1黑洞的附近，如果有某个稳定行星存在的话，相比较地球而言，那颗行星上的时间流逝得会相当相当慢，这类似于《星际穿越》电影中米勒星球上的效应。

好奇君：黑洞一直在拼命吸吸吸，像永远吃不饱似的，难道质量等等不是一直变化的吗？

国家天文台砺珺：的确在增加，不过黑洞通过吸积周围伴星而得到的质量实在是太小了。从现在的观测数据来看，即使X-1黑洞按照现在吃气体的速度，吃上个大约100亿年，也才吃了其自身重量的1/40000。这就好像一个体重100公斤的壮汉，身体增加了大约3克，他肯定觉得没什么大不了。

图三测量黑洞与地球距离的原理图

好奇君：天鹅座X-1黑洞有什么特殊之处吗？

国家天文台砺珺：天鹅座X-1跟上文提到的天鹅座V404就不太一样。我们知道，V404黑洞是隔一段时间爆发一次，上次爆发是在26年前。但天鹅座X-1却是持续比较亮的。这是因为天鹅座黑洞的伴星也很重，大约20个太阳质量，每一时刻都会给黑洞提供很多的气体物质，让X-1能够产生足够亮的辐射被我们观测到。而V404的伴星却是一个质量比太阳质量还小的恒星，每时每刻提供的气体相对比较少，所以产生的连续辐射很弱，只有当气体累积到一定程度产生很强的爆发时才能够被我们观测到。这就有点像富爸爸和穷爸爸的差别。

好奇君：称黑洞的过程中，有什么好玩的事儿吗？

国家天文台砺珺：这一类基础科研其实是非常枯燥的，并不像电影里科学家的生活那般妙趣横生。当然，在最后得到结果的时候，我们蛮高兴的，人类终于对这个遥远黑洞的一些基本性质有了精确的认识。

好奇君：你可以想象得到它的样子吗？跟在电影《星际穿越》里我们看到的大黑洞“卡冈图雅”有哪些不同呢？

国家天文台砺珺：两者最大的差别在于质量。

《星际穿越》中的黑洞“卡冈图雅”有一亿个太阳质量那么大，而我们测量的X-1黑洞只有15个太阳质量大小。不过二者也有相似之处，比如转速都是非常快。目前，因为受望远镜观测能力的限制，我们还不能直接看到吸积盘的样子。我相信，如果有一天我们可以直接观测到天鹅座X-1的吸积盘，模样应该与电影中的非常相似。只不过天鹅座黑洞的吸积盘会温度会更高，更炙热一些。吸积盘的温度会与黑洞质量成反比的关系，这是黑洞物理中比较神奇的一点。

好奇君：那么我们是不是也可以从天鹅座X-1黑洞穿梭时空呢？

国家天文台砺珺: 在星际旅行中，我给你的建议是：尽可能离恒星级的黑洞远一点儿。天鹅座X-1黑洞是一个小质量黑洞，别看它小，它的破坏力比大质量的“卡冈图雅”黑洞要大的多。因为将人或者物体撕碎的是潮汐力，它的大小与黑洞的平均密度是成正比的（而小黑洞的平均密度比超大质量黑洞大）。所以，很可能在你还没有靠近天鹅座黑洞的时候，你和你的飞行器就已经被撕个粉碎了。

在我们银河系的中心，也有一个超大质量的黑洞，叫做人马座A* （Sgr A*），它的质量为400万太阳质量，虽然它的质量比“卡冈图雅”小，但是它有可能会让我们顺利进入黑洞。前一段时间，霍金在瑞典的斯德哥尔摩皇家理工学院说到，黑洞是人类进入另外一个宇宙的入口。但黑洞到底能不能成为时空穿梭机器，现在还很难验证。

好奇君：你为什么要去打探一个遥远黑洞的隐私？

国家天文台砺珺：我要借用英国著名登山家乔治·马洛里（George H. L. Mallory）回答“为什么要攀登珠峰”的那句名言——“因为山在那里”——来回答这个提问。我们探究一个黑洞，就是“因为黑洞在那里”。

上世纪70年代，人类将天鹅座X-1定为“第一个黑洞候选体”，到2011年我们的研究结束时，人类已经可以确认——那不是一个候选者，而是一个真正的黑洞。

我们常常对亲眼可见的宇宙繁星感兴趣，哈勃望远镜和其它探测器向我们展现了那些地球友邻和远亲的磅礴容貌，而黑洞一直掩藏于黑暗和未知之中，人类可以想象它的样子，却无法亲眼目睹。正因如此，我们更有责任用科学与思想去拨开太空深处那些未知的迷雾。当然，这只是人类认识宇宙、探索未知的一小步，这一步，或许与你柴米油盐的日常生活无关，却与你抬头仰望星空时内心的平静与敬畏有关。

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