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探寻黑洞研究中的缺失链条

刘继峰 //m.auribault.com 2014-01-20 来源：人民日报

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　　研究黑洞及其周围天体的物理过程是美国宇航局提出的当下4个天体物理前沿之一。目前科学家已经观测证实了两种黑洞，一种是几个太阳质量的恒星级黑洞，产生于大质量恒星的死亡；另一种是星系中心的几百万到几亿个太阳质量的超大质量黑洞。不久前，中国科学家通过对X射线极亮天体的动力学测量，成功观测到了第三种黑洞，即几千个太阳质量的中等质量黑洞，填补了科学界的空白。

　　通过观测天体的辐射可以研究它们的性质和其他信息。除了人眼看到的可见光外，天体的辐射还有射电（无线电）、红外、紫外、X射线、γ射线等波段的电磁波（光子）辐射以及高能粒子、引力波等其他辐射。这些辐射是科学家研究黑洞的有力武器。

　　黑洞及其伴星组成双星系统，当黑洞捕获从伴星来的物质时，会形成吸积盘并发出强烈的X射线，因此利用X射线波段观测可以发现光学波段不容易发现的黑洞。通过高空间分辨率的X射线观测，科学家在其他星系中揭示了一批X射线光度极高的X射线极亮源。然而，国际天文和天体物理界对这类X射线极亮源的本质却一直难以定论。X射线极亮源可能是几千个太阳质量的中等质量黑洞，是天文学家一直寻找的超大质量黑洞形成理论中的缺失链条；也可能是恒星级黑洞，但是具有特殊的、我们现在所不理解的辐射机制。不过，无论是哪种可能，都可以增进人们对黑洞形成、黑洞辐射机制的理解与认知。因此，对X射线极亮源的研究一直是天文与天体物理研究的国际前沿与热点。

　　研究X射线极亮源的难点在于通过动力学方法测定黑洞的质量，确定它们到底是中等质量黑洞还是恒星级黑洞。动力学方法指的是通过测量黑洞伴星的运动进而求得黑洞的质量。但是，由于X射线极亮源处于遥远的其他星系中，在光学上看起来非常暗，需要8—10米级望远镜通过长时间的曝光来获得光谱。即便如此，所获得的光谱信噪比也比较低，传统方法用以揭示伴星运动的伴星光谱吸收线一般无法探测到。因此，采用动力学质量测量对X射线极亮源是非常困难的，必须使用大多数伴星所不具有的发射线才能揭示伴星运动。

　　中国的科研团队选取了处于2200万光年之外的M101旋涡星系中一个X射线极亮源ULX—1作为研究对象，其伴星具有很强的发射线。科学家经过3个月的观测，确认了中心天体是一个恒星级黑洞。这是对X射线极亮源的第一次、也是唯一一例成功的动力学质量测量。

　　这一发现可能会促成科学界对现有超大质量黑洞形成理论的重新认识，并且极大地改变了人们对恒星级黑洞吸积盘X射线辐射的认知。这项研究发表在《自然》杂志上，被审稿人誉为“夺取了X射线极亮源研究的圣杯”，并被选为《自然》当周头条新闻。尽管技术难度大，但鉴于其科学重要性和影响深远性，中心黑洞质量的精确测量仍为学界孜孜以求的目标。

编辑：尹盼秋