近日，中國科學院國家天文臺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(zhuǎn)動。該項研究成果已在國際天文期刊《天體物理學雜志》（ApJ）發(fā)表。
黑洞被認為是性質(zhì)最為簡單的天體，通常只需三個量（質(zhì)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(zhì)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(shù)來表示，其絕對值的變化范圍在0和1之間。0代表施瓦西黑洞（不轉(zhuǎn)黑動），1代表極端克爾黑洞（轉(zhuǎn)動最大值）；自旋參數(shù)的正負號代表了黑洞自旋和吸積盤的轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)的第一個黑洞候選體，它存在于一個雙星系統(tǒng)當中。自從20世紀60年代被發(fā)現(xiàn)，關于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(zhì)量是否大于3—4個太陽質(zhì)量。在2011年，茍利軍及其合作者對此黑洞的距離、質(zhì)量和角動量進行了精確測量（誤差小于10%）。光學波段的數(shù)據(jù)表明這個黑洞的質(zhì)量大約為15個太陽質(zhì)量，從而確信無疑地表明中心是黑洞。與此同時，X射線波段的數(shù)據(jù)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(zhì)量恒星演化、檢驗噴流產(chǎn)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。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。受觀測模式和時間限制，2011年工作所使用的X射線光譜質(zhì)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(zhì)，研究人員申請了更多的X射線望遠鏡觀測時間和采取了更佳的觀測模式。在此次發(fā)表的工作中，不僅得到了更多的光譜（5次觀測11個光譜，6個可用光譜），而且光譜質(zhì)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(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量方法為X射線連續(xù)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。此方法最初為中科院高能物理研究所/國家天文臺的張雙南研究員等人于1997年提出，經(jīng)過哈佛史密松天體物理中心科研人員的多年努力發(fā)展，目前被公認為測量恒星級黑洞自旋的最可靠方法。
該項目得到了中科院先導“宇宙結(jié)構起源”專項和國家基金委的重點項目的資助。
天鵝座黑洞系統(tǒng)想象圖。黑洞吸積來自于藍巨星伴星的氣體，在其周圍形成吸積盤（紅色）。吸積氣體在落入黑洞之前，有一部分將被用來產(chǎn)生噴流。（繪圖: NASA/CXC/Weiss）
上圖：日本MAXI/ASM衛(wèi)星觀測的天鵝座黑洞強度時間演化圖。下圖：相對應的光譜硬度圖（光譜硬度越低，表明吸積盤成分占主導，虛線之下的數(shù)據(jù)適合于自旋測量分析）。圖中箭頭和星號標明了各個衛(wèi)星的觀測時間。
