我們稱了一個黑洞，只因為「黑洞在那裡」

出品：科普中國

製作：國家天文台黑洞來客團隊

監製：中國科學院計算機網路信息中心

好奇君：你最喜歡什麼季節呢？

國家天文台礪珺：夏天。

好奇君：為什麼？

國家天文台礪珺：在夏天，可以清楚地觀測到我喜歡的天鵝座。

好奇君：為什麼喜歡天鵝座？因為它像一隻天鵝？

國家天文台礪珺：天鵝座由升到落，真如同天鵝飛翔一般——它側著身子由東北方升上天空，到天頂時，頭指南偏西；移到西北方時，變成頭朝下尾朝上，沒入地平線。天鵝座也是人類目前對地外行星研究的最為深入的一塊區域，「行星獵手」開普勒望遠鏡就是一直指向這塊區域並進行觀測的。其實不僅如此，年輕時候，我還曾花了兩年時間（其實也就是五六年前……呃）測量過一個天鵝座的黑洞！

圖一：天鵝座圖-開普勒衛星觀測現場

好奇君：啥？！什麼黑洞？距離我們多遠？

國家天文台礪珺：天鵝座 X-1，英文名字叫做Cygnus X-1，距離我們地球7800光年。其實人們目前已經在天鵝座中發現了幾個黑洞，包括天鵝座X-3（Cygnus X-3）和2015年6月份剛剛爆發過的天鵝座V404黑洞（V404 Cygni）。天鵝座X-1是人類最早發現的一個X射線源，所以命名為X-1。類似地，天鵝座X-3是這個星座中發現的第三個。而天鵝座V404最早是在光學波段發現的，所以它的名字（V404）和其它兩個（X-1，X-3）有些不同。

好奇君：在你認定天鵝座X-1是一個黑洞之前，人類覺得它是什麼？

國家天文台礪珺：人們只是覺得它可能是一個黑洞，但不是很確定。因為中子星也可以產生比較類似的現象，中子星與黑洞最大的區別就在於質量。如果中心天體的質量大於3個太陽質量，我們通常認為它是黑洞，否則很可能是中子星。天鵝座X-1是人類發現的第一個黑洞候選體。其實，上世紀七十年代，它剛剛被發現時，地球上最聰明的兩個大腦——史蒂芬·霍金（Stephen W. Hawking）和基普·索恩（Kip S. Thorne）——就為它是不是黑洞而打了個賭。霍金下的賭注是一整年的成人雜誌《閣樓》，而索恩的賭注則是《私人偵探》（Private Eye）雜誌。

而在1990年前後，在當時的觀測證據表明，天鵝座X-1有90%的可能性是一個黑洞的時候，霍金認輸了。當時，黑洞的質量很不確定，從差不多2個太陽質量到11個太陽質量。儘管很大可能性是黑洞，但是還是有一部分可能性是中子星的。另外也因為這是人類發現的第一個黑洞候選體嘛，所以我們就打算仔細地對其進行研究。在2009年到2011年的幾年時間裡，我們通過好幾種觀測手段，對天鵝座X-1黑洞做了一個全面的測量和研究。

好奇君：你都為這隻黑洞測了哪些東西？身高體重三維心率嗎？……

國家天文台礪珺：嗯，差不多是體重之類的。有三個量比較主要，第一是地球到黑洞的距離，第二是黑洞的質量，第三是黑洞的轉動速度。

好奇君：X-1距離地球那麼遙遠，你是怎樣知道具體距離的呢？

國家天文台礪珺：我們所使用的工具是甚長基線射電陣（Very Large Baseline Array，VLBA)，它位於美國，由十個不同地點的25米射電望遠鏡組成。我們知道，儘管我們看不到黑洞，但黑洞會產生噴流，噴流會在射電波段產生比較強的輻射，我們就可以在射電望遠鏡觀察到黑洞的位置了。

然後，我們會選擇一年中的不同時間，比如春分和秋分，來觀測噴流相對於其它某個遙遠天體的位置變化，之後利用簡單的三角函數關係，就可以得到地球距離黑洞的距離。

這種方法叫做三角視差法，是最原始也是最可靠的距離測定方法。要知道，在古希臘，人們就是用這方法來估算月球與地球之間距離的。

圖二 甚長基線射電陣（Very Large Base line Array，VLBA)

圖三 測量黑洞與地球距離的原理圖

好奇君：那個黑洞是胖子還是瘦子？你怎麼測量的呢？

國家天文台礪珺：天鵝座X-1黑洞可以算是恆星級黑洞中的胖子。因為在目前質量得到確認的20多個類似黑洞中，絕大多數的黑洞質量差不多等於8個太陽質量，而我們測得的X-1黑洞的質量大約在14到16個太陽質量之間。

測量質量的基本原理比較簡單，如果知道黑洞伴星運動的速度以及伴星和黑洞之間的距離，就可以利用簡單的牛頓定律得到黑洞質量。這就像我們利用同樣地方法可以測得地球的質量一樣。但在實際觀測當中，情形依然比較複雜。

好奇君：天鵝座X-1黑洞在轉動嗎？

國家天文台礪珺：嗯，是的，到目前為止，我們利用X射線研究了10多個黑洞，發現它們都在轉動。只不過有的轉動得快，有的轉動得比較慢。天鵝座X-1則是目前已知黑洞中轉得最快的。所以，在X-1黑洞的附近，如果有某個穩定行星存在的話，相比較地球而言，那顆行星上的時間流逝得會相當相當慢，這類似於《星際穿越》電影中米勒星球上的效應。

好奇君：黑洞一直在拚命吸吸吸，像永遠吃不飽似的，難道質量等等不是一直變化的嗎？

國家天文台礪珺：的確在增加，不過黑洞通過吸積周圍伴星而得到的質量實在是太小了。從現在的觀測數據來看，即使X-1黑洞按照現在吃氣體的速度，吃上個大約100億年，也才吃了其自身重量的1/40000。這就好像一個體重100公斤的壯漢，身體增加了大約3克，他肯定覺得沒什麼大不了。

好奇君：天鵝座X-1黑洞有什麼特殊之處嗎？

國家天文台礪珺：天鵝座X-1跟上文提到的天鵝座V404就不太一樣。我們知道，V404黑洞是隔一段時間爆發一次，上次爆發是在26年前。但天鵝座X-1卻是持續比較亮的。這是因為天鵝座黑洞的伴星也很重，大約20個太陽質量，每一時刻都會給黑洞提供很多的氣體物質，讓X-1能夠產生足夠亮的輻射被我們觀測到。而V404的伴星卻是一個質量比太陽質量還小的恆星，每時每刻提供的氣體相對比較少，所以產生的連續輻射很弱，只有當氣體累積到一定程度產生很強的爆發時才能夠被我們觀測到。這就有點像富爸爸和窮爸爸的差別。

好奇君：稱黑洞的過程中，有什麼好玩的事兒嗎？

國家天文台礪珺：這一類基礎科研其實是非常枯燥的，並不像電影里科學家的生活那般妙趣橫生。當然，在最後得到結果的時候，我們蠻高興的，人類終於對這個遙遠黑洞的一些基本性質有了精確的認識。

好奇君：你可以想像得到它的樣子嗎？跟在電影《星際穿越》里我們看到的大黑洞「卡岡圖雅」有哪些不同呢？

國家天文台礪珺：兩者最大的差別在於質量。

《星際穿越》中的黑洞「卡岡圖雅」有一億個太陽質量那麼大，而我們測量的X-1黑洞只有15個太陽質量大小。不過二者也有相似之處，比如轉速都是非常快。目前，因為受望遠鏡觀測能力的限制，我們還不能直接看到吸積盤的樣子。我相信，如果有一天我們可以直接觀測到天鵝座X-1的吸積盤，模樣應該與電影中的非常相似。只不過天鵝座黑洞的吸積盤會溫度會更高，更炙熱一些。吸積盤的溫度會與黑洞質量成反比的關係，這是黑洞物理中比較神奇的一點。

好奇君：那麼我們是不是也可以從天鵝座X-1黑洞穿梭時空呢？

國家天文台礪珺:在星際旅行中，我給你的建議是：儘可能離恆星級的黑洞遠一點兒。天鵝座X-1黑洞是一個小質量黑洞，別看它小，它的破壞力比大質量的「卡岡圖雅」黑洞要大的多。因為將人或者物體撕碎的是潮汐力，它的大小與黑洞的平均密度是成正比的（而小黑洞的平均密度比超大質量黑洞大）。所以，很可能在你還沒有靠近天鵝座黑洞的時候，你和你的飛行器就已經被撕個粉碎了。

在我們銀河系的中心，也有一個超大質量的黑洞，叫做人馬座A*（SgrA*），它的質量為400萬太陽質量，雖然它的質量比「卡岡圖雅」小，但是它有可能會讓我們順利進入黑洞。前一段時間，霍金在瑞典的斯德哥爾摩皇家理工學院說到，黑洞是人類進入另外一個宇宙的入口。但黑洞到底能不能成為時空穿梭機器，現在還很難驗證。

好奇君：你為什麼要去打探一個遙遠黑洞的隱私？

國家天文台礪珺：我要借用英國著名登山家喬治·馬洛里（GeorgeH.L.Mallory）回答「為什麼要攀登珠峰」的那句名言——「因為山在那裡」——來回答這個提問。我們探究一個黑洞，就是「因為黑洞在那裡」。

上世紀70年代，人類將天鵝座X-1定為「第一個黑洞候選體」，到2011年我們的研究結束時，人類已經可以確認——那不是一個候選者，而是一個真正的黑洞。

我們常常對親眼可見的宇宙繁星感興趣，哈勃望遠鏡和其它探測器向我們展現了那些地球友鄰和遠親的磅礴容貌，而黑洞一直掩藏於黑暗和未知之中，人類可以想像它的樣子，卻無法親眼目睹。正因如此，我們更有責任用科學與思想去撥開太空深處那些未知的迷霧。當然，這只是人類認識宇宙、探索未知的一小步，這一步，或許與你柴米油鹽的日常生活無關，卻與你抬頭仰望星空時內心的平靜與敬畏有關。

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