天鵝座X-1（Cygnus X-1，縮寫為Cyg X-1）是一個位于天鵝座方向的雙星系統(tǒng)，最早被認為是黑洞的天體系統(tǒng)之一。它于1964年被發(fā)現(xiàn)，是個很強的X射線源。該黑洞從鄰近軌道運行的藍色超級巨恒星中吸取氣體，它向內(nèi)螺旋式釋放著巨大熱量，噴射出高能量X射線和γ射線，是人類發(fā)現(xiàn)的第一個黑洞候選天體。 天鵝座X-1是一顆高質量X射線雙星，其主星是一顆超巨星，光譜型為B0，伴星名為HDE 226868，是一顆8.9等的變星，直徑大約2500萬千米。在環(huán)境許可的情況下，使用小型雙目望遠鏡可看見天鵝座X-1。根據(jù)歷元1950的資料，該天體位于赤經(jīng)19 h 56.5 min，赤緯35 deg 4 min。 天鵝座X-1是個雙星系統(tǒng)，由一光譜型O9-BO的超巨星及一顆致密星組成。超巨星的質量約為20-40倍太陽質量，致密星則具有太陽的21倍質量。由于中子星的最大質量不多于3倍太陽質量，因此該顆致密星普遍被認為是黑洞。X射線由雙星系統(tǒng)內(nèi)的吸積盤產(chǎn)生，在吸積盤內(nèi)發(fā)生康普頓散射，再被反射向外。天鵝座X-1是天空中持續(xù)最久的強力X射線源。距離地球約7240光年。 2021年2月19日，國際學術期刊《科學》和《天體物理學報》的三篇文章聯(lián)合發(fā)布對第一個恒星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結果。根據(jù)該測量結果，此系統(tǒng)包含了一個21倍太陽質量的黑洞，并且其自轉速度極接近光速。這是迄今發(fā)現(xiàn)并確認的唯一一個黑洞質量超過20倍太陽質量且自轉如此之快的X射線雙星系統(tǒng)。 天鵝座X-1屬于一個高質量X射線雙星系統(tǒng)，其距離太陽大約6,070光年，另一成員為一顆超巨星變星，編號為HDE 226868。兩者相互圍繞公轉，距離為0.2天文單位，即地球和太陽間距離的20%。該星的星風為X射線源的吸積盤提供物質。盤的內(nèi)部溫度達到幾百萬K，因此輻射出X射線。兩條垂直于吸積盤的相對論性噴流將被吸進的物質噴射出星際空間。 這個系統(tǒng)可能屬于一個名為天鵝座OB3的星協(xié)，意味著天鵝座X-1的年齡超過500萬年，并源于一顆質量大于40個太陽質量的原星。這顆原星的大部分質量都散失了，很可能是以星風的形式。如果該星以超新星的形式爆炸，則其威力足以將剩余物質噴射出這個系統(tǒng)。因此它可能直接縮成一個黑洞。 物理學家斯蒂芬·霍金和基普·索恩曾拿天鵝座X-1作了一場科學的賭局。當中霍金賭天鵝座X-1不是一顆黑洞。1990年霍金讓步，因為觀測證據(jù)顯示這個系統(tǒng)中存在著引力奇點。
發(fā)現(xiàn)
天鵝座X1是一個X射線雙星系統(tǒng)，除了包含能夠產(chǎn)生X射線源的致密星之外，還包含一個藍巨星。自從這個系統(tǒng)在1964年被美國探空火箭首次發(fā)現(xiàn)以來，其中致密天體究竟是黑洞還是中子星的問題一直是高能天體物理研究領域的熱點。對致密天體究竟是黑洞還是中子星，上世紀70年代，物理學家基普·索恩和斯蒂芬·霍金還專門打賭，并立下字據(jù)。直到上世紀90年代，越來越多的觀測證據(jù)表明這個系統(tǒng)中心應該是黑洞，霍金才簽字表示認賭服輸。
盡管霍金已經(jīng)認輸，然而對于這個系統(tǒng)的性質一直缺乏精確的測量。2011年，茍利軍研究員和合作者就對這顆黑洞的性質首次做了一次精確測量的嘗試。當時得出的結果是：這個黑洞系統(tǒng)與地球的距離為6067光年，質量為14.8倍的太陽質量，并且發(fā)現(xiàn)黑洞的視界面在以72%的光速轉動。
2013年，歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星發(fā)射升空，計劃對銀河系內(nèi)的10億顆恒星的距離進行精確測量，當然也包括天鵝座X1在內(nèi)的X射線雙星。結果，蓋亞衛(wèi)星所給出的天鵝座X1的距離要比之前的距離遠一些，大約為7100光年。
2021年2月19日，《科學》雜志和《天體物理學報》上線的三篇文章聯(lián)合發(fā)布了對歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個恒星級黑洞——天鵝座X1的最新精確測量結果。來自澳大利亞、美國和中國的三個團隊分別獨立對黑洞天鵝座X1的距離、質量、自轉及其演化做了最為精確的測量和限制，澳大利亞柯廷大學教授米勒-瓊斯所領導的研究團隊，利用美國的甚長基線干涉陣列，通過三角視差方法對天鵝座X1的距離再次進行測量和確認。團隊把新的觀測數(shù)據(jù)和之前的觀測數(shù)據(jù)相結合，同時消除了天鵝座X1的噴流運動所導致的系統(tǒng)誤差效應之后，最終得到了天鵝座X1黑洞的最新距離，這一結果為7240光年，精度達到8%，這個距離和蓋亞衛(wèi)星給出的距離完全一致。在此基礎之上，合作團隊重新分析光學數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)黑洞質量增加了50%，增加到了21倍的太陽質量，精度為10%，這是X射線雙星系統(tǒng)中目前唯一一個主星質量超過20倍太陽質量的黑洞X射線雙星系統(tǒng)。結合新得到的距離和質量的測量結果，中國天文學家領導的研究團隊分析了X射線光譜數(shù)據(jù)，從而對黑洞的自轉速度進行了精確限制，相比之前的測量結果，發(fā)現(xiàn)此次測量的黑洞轉動更加極端，黑洞視界面正在以至少95%的光速自轉，這也是目前已知的唯一一個以如此高速度轉動的黑洞系統(tǒng)。
特性
光譜分類O9.7Iab
U-B色指數(shù)-0.30
觀測資料
歷元 J2000
赤經(jīng)19h 58m 21.6756s
赤緯+35° 12′ 05.775″
視星等 (V) 8.95
天體測定
徑向速度 (Rv) -13 km/s
自行 (μ) RA: -3.82 mas/yr
Dec.: -7.62 mas/yr
視差 (π) 0.58 ± 1.01 mas
距離 approx. 6000 ly
觀測方式
通過對X射線源的觀測，天文學家能研究涉及到幾百萬度熾熱氣體的天文現(xiàn)象。但由于X射線被地球的大氣層遮擋了，因此對X射線源的觀測不能在地表進行，而需要將儀器運送到有足夠X射線能穿透的高度。發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1的儀器是從新墨西哥州白沙導彈靶場由火箭發(fā)射到彈道軌道。1964年時正進行一項觀測，目的是找出這些X射線源。兩個空蜂火箭（Aerobee）彈道火箭運載著蓋革計數(shù)器升空，測量天空中8.4°范圍內(nèi)波長從1至15?的X射線源。
這項觀測發(fā)現(xiàn)了8個新的X射線源，包括天鵝座的Cyg XR-1（后名Cyg X-1）。其天球坐標估計為赤經(jīng)1953、赤緯34.6°。該X射線源處并沒有明顯的無線電或可見光源。
由于需要更長時間的觀測研究，1963年賈柯尼和赫伯特·格斯基提出了首個研究X射線源的軌道衛(wèi)星。美國航空航天局于1970年發(fā)射了烏呼魯衛(wèi)星，進而發(fā)現(xiàn)了300個新X射線源。它對天鵝座X-1的長期觀測發(fā)現(xiàn)其X光強度有波動，頻率為每秒數(shù)次。如此快速的變動顯示，能量一定在很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生，大小約為10公里，因為光速的限制使訊息不可能在更遠的范圍里相互傳遞。作為對比，太陽的直徑約為1.4百萬公里。
1971年4月至5月，萊登天文臺的Luc Braes和George Miley與美國國家射電天文臺的Robert M. Hjellming和Campbell Wade獨立探測到來自天鵝座X-1的無線電射線，射線源的準確位置指向AGK2+35 1910 = HDE226868。天球上，這顆星與視星等為4級的天鵝座η相距半度。它是一顆超巨星，本身并不能發(fā)射所觀測到的X射線。因此，此星必定有一顆能夠將氣體加熱到幾百萬度的伴星，才可放射在天鵝座X-1觀測到的輻射。
皇家格林威治天文臺的Louise Webster和Paul Murdin與單獨在多倫多大學大衛(wèi)·鄧拉普天文臺工作的 Charles Thomas Bolton于1971年公布了HDE 226868巨型伴星的發(fā)現(xiàn)消息。該星光譜的多普勒效應顯示了其伴星的存在，人們也能根據(jù)軌道數(shù)據(jù)間接地測量其質量。由于該天體質量很高，他們推測它可能是一個黑洞。因為最大的中子星也不可能超過3個太陽質量。
隨著更多觀測證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，到了1973年末，天文學界的普遍結論為天鵝座X-1最大可能為一黑洞。對天鵝座X-1更精確的測量顯示出小至1毫秒的變化。這個間距與黑洞吸積盤物質的亂流相符。持續(xù)三分之一秒的X射線爆符合物質掉進黑洞預測所需的時間。
經(jīng)Hipparcos衛(wèi)星的精確測量，天鵝座X-1（CygX-1）距離地球大約6000光年，其質量大約是太陽的10倍，直徑約44公里，位于天鵝星座。通過動力學模型以及相對論模型，科學家還測量了黑洞吸積盤的內(nèi)緣半徑。對于這些研究結果，天鵝X-1雙星系統(tǒng)的研究小組認為：由黑洞質量、軌道傾角以及距離帶來的觀測和模型參數(shù)的不確定性問題都將被充分考慮，而由于徑流主導吸積盤的薄盤模型（吸積率低于愛丁頓光度）所帶來的局限性，在諸如低光度天體（低態(tài)X射線雙星）即天鵝X-1的具體應用上還需要進一步研究。
至今天鵝座X-1已被多部軌道及地面觀測儀器長期觀測。X射線雙星（如HDE 226868/天鵝座X-1）和活動星系核間有眾多相似之處，顯示它們有共同的運行原理：黑洞、旋轉中的吸積盤和噴流。因此，天鵝座X-1被歸于一類稱為微類星體的雙星系統(tǒng)。對諸如HDE 226868/天鵝座X-1的雙星系統(tǒng)的科學研究能使科學家對活動星系的運動原理有更深入的認知。
2021年10月，中國科學院上海天文臺觀測高能天體物理組研究團隊利用“慧眼”硬X射線調制望遠鏡衛(wèi)星（“慧眼衛(wèi)星”）在著名黑洞雙星天鵝座X1的軟譜態(tài)時探測到88mHz的高能準周期振蕩信號。
偏振光線
當光線自由地穿過時空，它將以任何方向出現(xiàn)偏振。然而，出現(xiàn)偏振的光線意味著光線在特定的狀況下僅以一個方向震動，例如：光線從表面散射或者穿過物質。研究人員使用歐洲航天局天體物理實驗室（Integral）衛(wèi)星的Ibis望遠鏡，對天鵝座X-1黑洞進行了7年觀測。他們集中精力分析該黑洞冕環(huán)產(chǎn)生的光線，天鵝座X-1黑洞的冕環(huán)是一個微小的區(qū)域，直徑不足800公里。
之前的研究顯示，黑洞冕環(huán)等離子體釋放的X射線加熱至1.2億攝氏度，但是天體物理實驗室衛(wèi)星從未知來源探測的光線也可達如此高溫。法國原子和替代能源委員會天文學家菲利普-勞倫特（PhilippeLaurent）稱，這項研究首次顯示未知高能量噴射出現(xiàn)強烈的偏振，這暗示著它可能產(chǎn)生于同步輻射，這是強烈磁場接近黑洞表面的跡象。他強調指出，從理論上，人們會認為該區(qū)域會存在一個磁場，但目前這是首次掌握到觀測證據(jù)。
雙星系統(tǒng)
天鵝座X-1中的致密星和藍超巨星組成一個雙星系統(tǒng)，以5.599829±0.000016天的周期繞質心公轉。從對天鵝X-1的研究過程中，準確計算出這個雙星系統(tǒng)中X射線源的位置是十分重要的，這個結果將直接導致人類空間觀測史上的第一個黑洞被確認。科學家通過甚長基線陣列測量技術，利用三角視差法將距離值確定在1.86(-0.11,+0.12)千秒差距（kpc），1秒差距約等于3.2光年。而天鵝X-1發(fā)出的X射線通量有著明顯的周期性特征，大約在5.6天就進行一個周期變化，這也證明了當超藍巨星運行到黑洞后面時，兩者之間作用產(chǎn)生的X射線受到前者產(chǎn)生的恒星風阻擋，出現(xiàn)較低的值。
通過進一步的研究，科學家還確定了這個雙星系統(tǒng)是進行順時針旋轉。利用耦合距離和多普勒效應模擬出天鵝X-1雙星系統(tǒng)的三維運動模型。接著對地球以及天鵝X-1圍繞銀河系的相對速度進行修正后，發(fā)現(xiàn)其運行速度只有大約21km/s，這表明在這顆藍超巨星與黑洞形成雙星系統(tǒng)時并沒有出現(xiàn)劇烈的反沖效應。
藍超巨星
藍超巨星為HDE226868，是一顆8.9等的變星，在環(huán)境許可的情況下，使用雙目望遠鏡可看得見。根據(jù)歷元1950的資料，該天體位于赤經(jīng)19h56.5min，赤緯35deg4min。
由于星際塵埃的阻擋且紅光能穿透星際塵埃，在地球上觀測超藍巨星HDE226868顯得更紅一些。這顆藍超巨星圍繞著一個看不見的巨大天體進行旋轉，兩者間的距離大約是地球與太陽之間距離的五分之一，也就是0.2個天文單位。科學家推測：藍超巨星產(chǎn)生的恒星風不僅盤踞的黑洞的吸積盤上，也籠罩著其產(chǎn)生的X射線源。同時也意識到，在黑洞吸積的過程中，將產(chǎn)生急速的噴流進入宇宙空間，這些噴流可能夾雜著從藍超巨星上撕扯下來的物質，所探測到的強烈X射線源就是由吸積過程中過熱的物質發(fā)出。
參考資料 >
黑洞雙星天鵝座X-1研究獲進展.今日頭條.2021-10-31