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【010期人物】

苟利军

中国科学院国度天文台研究员

国度天文台恒星级黑洞研究创新小组卖力人

《中国国度天文杂志》实行主编

北京天文学会副理事长

高小山说

1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西对爱因斯坦场方程求出了一个真空解——黑洞。自此，围绕黑洞的研究贯串了整个近当代科学史。

不外，一个多世纪以来，一方面人们想找到更多的黑洞，然后所发觉的数量也仅仅是理论预言的冰山一角。而别的一个方面，人们也想对找到黑洞的准确性子作出一个准确丈量。

只管望远镜越来越大，观察也从地面进入到了空间，然而准确丈量仍旧是摆在天文学家眼前的一个困难，但也是天文学家的幻想。 2020年诺贝尔物理学奖的得到者安德里亚·格兹（Andrea Ghez）等人便是对付我们银河系中间超大质量黑洞质量的准确丈量得到了诺奖。

相比质量而言，对付影响效应仅仅存在于黑洞邻近地区的自旋丈量难度更大。只管云云，照旧有不少的科学家们连续且高兴地做着相应的事情。

克日，来自于澳大利亚、美国和中国的科学家们对人类汗青上发觉的第一个黑洞——天鹅座X1——的根本性子（包罗间隔、质量和自转速率及其演化历程）举行了研究，效果发觉这个黑洞正以至少95%的光速猖獗自转，而且这颗黑洞的质量在全部已知的X射线体系中排名第一，为21倍的太阳质量。

这项新发觉被登载在2021年2月19日上线的《科学》（Science）和《天体物理期刊》（Astrophysical Journal）上，来自国内的科研团队是中国科学院国度天文台恒星级黑洞研究团组的苟利军研究员及其门生。

论文截图

这次发觉对黑洞研究有如何的代价？黑洞的间隔、质量和转速是怎样丈量到的？高山大学（GASA）独家专访黑洞发觉者苟利军，解读这一段科研进程背后的来龙去脉。

质量、速率“双突破”

形貌一个黑洞，重要必要两个参数：质量和自转速率。

已往，天文学界对黑洞的质量颇有研究，但对其转速却知之甚少，乃至于黑洞的诞生气希望制及演化路径存在很大的不确定性。

现在，国际团队的互助者借助美国甚大干预干与基线射电阵列，使用三角视差的要领丈量了间隔。而之后，使用黑洞伴星活动的观察数据丈量了中间黑洞的质量，这种要领被称之为动力学质量丈量要领。

在已知间隔、质量等条件的情形下，苟利军地点的团队使用美国的RXTE和钱德拉 X射线卫星数据，丈量发觉黑洞正在以一个前所未见、高达95%光速的转动，这比现在别的全部黑洞的转动都要快。

在已知黑洞质量和转速今后，作为新的界限条件，能对恒星的演化路径开出更准确的限定，通过盘算机的模仿盘算，让我们更完备地相识恒星的演化、黑洞的诞生历程。

苟利军团队研究效果表示图

“研究黑洞看似对人们的现实生存没有直接意义，但恒星怎样演化，可以说是天文学里种种理论模子的基本。对恒星的演化了解越透彻，我们离宇宙的实情也就越靠近 ”苟利军说。 别的，这个黑洞不但是拥有最高的转速，它同时也革新了X射线双星体系中“恒星级黑洞”的质量记录，高达21倍的太阳质量。

实在早在2011年，苟利军和互助者就曾经对该黑洞举行过丈量，但其时得到的质量是太阳的15倍。此次质量增重了约50%，质量增大是由于丈量间隔的增大。

知识点：X射线双星是可以或许孕育发生X射线辐射的黑洞双星体系，这些体系中的天体通常相互间隔比力近，X射线辐射来自于黑洞四周的吸积盘。
而有一些体系相距比力较远，此时就没有X射线辐射，只有来自于恒星的光学辐射。

别的，近几年科学家在天文界新宠——引力波的加持下，也发觉了大量新的更高质量的“恒星级黑洞”，诞生气希望制仍旧存疑。

现在，正是天鹅座X1黑洞质量和自旋的准确丈量，为科学家提供了限定此类恒星演化历程的绝佳时机。这也是这项研究登上《科学》的一大亮点。

天鹅座X1作为唯逐一个转动云云之快的黑洞，苟利军的下一步是想找到别的转动有雷同转速的黑洞体系，如许有望对付黑洞体系有个比力而且对付黑洞形成机制有一番深入相识。

与此同时，他还想查找和丈量更多黑洞——理论上，我们银河系中存在着上亿颗恒星级黑洞，而现在天文界只探测到了不敷百颗，准确丈量的体系也只有20多个。

2019年4月10号人类的第一张黑洞照片，甜甜圈般的圆环实在是黑洞伴星气体所孕育发生，而黑洞地区被称为黑洞暗影

“发觉”背后的“道理”

作为深空最黑暗的天体，黑洞的质量和转速，分别是怎样测出的？ 黑洞的质量并不难被测得。在黑洞四周，每每存在着伴星大概气体，并以黑洞为中间举行绕转。

和太阳与各行星的干系一样，科学家只需测出伴星大概气体绕转的速率以及与黑洞的间隔，再代入闻名的开普勒公式，便可得出黑洞的质量。

天文学中，这属于一种动力学要领，得出的答案最为准确，但也有其范围性，那便是它对天文观察的辨别率有必然的要求。

当辨别率不克不及餍足要求时，科学家也会用统计学要领。即检察黑洞四周气体大概恒星的种种特性，如活动速率、亮度等，看它们与黑洞的质量有没有相干性，然后再用这些相干性推测黑洞质量。至于相干性是否可靠，就有待于观察的详细验证。

但想要丈量黑洞的自转速率，难度就要大得多。

固然黑洞的质量和转速都市对其四周的空间、天体活动孕育发生影响，但后者的效应范畴远远小于前者。

以恒星级黑洞为例，伴星通常位于黑洞之外几百万公里的轨道上，照旧可以或许使用先辈的望远镜辨别出其轨道改变，而自转的效应仅仅范围在间隔黑洞几百公里的范畴内——即即是现在地球上开始进的望远镜，包罗拍摄到黑洞照片的望远镜，也辨别不了这个间隔。

是以，科学家一定另辟蹊径。

吸积盘气体温度为科学家们提供了一些线索。离黑洞越近的气体，温度会越高，乃至能到达几万万度，而它们的特性也会有所差别。借助X射线空间望远镜探测到这类微小的差异，科学家可以推测出它周边黑洞的转速。

差别转速对黑洞光谱的影响图，图自NASA

“理论上讲，差别转速的黑洞会对吸积盘气体的辐射光谱、温度等物理量造成纷歧样的影响，那么我们就可以依据这些气体的一些物理量，通过拍摄而且阐发光谱来推算黑洞的转速。”苟利军说。此次便是通过称为“一连谱拟合“的要领对付黑洞的自转速率举行了限定。

丈量黑洞自转速率的要领不但只有上述的一种，通常应用的另有通过一些吸积盘放射线拟合的要领。吸积盘除过一连辐射之外，吸积盘中的气体还大概孕育发生一些放射线。

原子在产生“电子跃迁”（指粒子中电子的一种能量改变）时会汲取大概开释光子，形成放射线。因为差别元素的电子轨道差别，其放射线也是唯一无二——这就像一个“身份证”，从而关心科学家辨识宇宙中差别的物质。

这些放射线的光子在逃离黑洞的历程中，必定会受到四周黑洞的引力影响。

为了开脱引力陆续移动，光子会“泯灭”一部门的能量，进而使得其电磁辐射的频率变低、波长变长，其放射线会朝红端移动，称之为“引力红移”。以是谱线的形状也携带了黑洞自转的信息。

“聪慧的科学家会想出许多差别的要领去丈量看似不太大概的事变。差别的要领在必然水平上也可以相互验证。”苟利军说。

“发觉”背后的“科学家”

15小我私家的班级，最终只剩3小我私家

Q：天文是一门小众学科，您是怎么踏上这条天文研究门路的？

苟利军：我想起七八年前，《Nature》天文杂志的主编和我聊起一个有味的统计：90%的小朋侪都对两样工具感兴趣，一个是恐龙，另一个是星空。我也曾是这些小朋侪之一。

恐龙和星空，都属于格外迢遥的时空，一个来自几亿年前的地球，一个来自数十亿光年外的宇宙，由于迢遥，以是更满盈了浪漫的遐想空间。

想到本身的左手来自几十亿年前爆炸的恒星，而右手来自另一个星系残留的灰尘，本身的身材冷静记载了宇宙的陈迹，对宇宙也就更多了一份奇怪。

上初中的时间，家里给我买了一台望远镜，其时的条件不太好，那台望远镜，实在比四个世纪前伽利略的第一台天文望远镜还要大略一些，镜筒都是许多层纸卷在一路做成的，但对其时的我来说是大喜过望，我每天都市拿着它东瞧西望观看星空。

固然家里没有赐与我太多经济上的支持或造就，但精力上，他们一向很敬重和鼓舞我对星空的喜好，给我许多空间做本身的决定。

以是今日我常说，造就孩子的奇怪心，能给孩子提供富厚的资源灌溉天然是最好，但做不到也没关系。只要不去浇灭它，实在就够了。

实在考大学的时间，我格外想上南京大学的天文系，厥后复读了一年才考上。

而进了大学今后我才发觉，天文学跟之前想象的完全纷歧样。许多时间家人们认为天文便是流星雨和满天星斗，然后趴在草原拿着大型望远镜和种种设置装备摆设观察星空，格外浪漫，实在否则。

天文学作为一门最陈腐的科学，除了要通数理化，如今还必要懂盘算机，团体使命非常沉重硬核，和浪漫根本摸不着边儿。 到了后期，我的大多数同砚都转专业了，趁着科技盈余，投入到其时非常热门的盘算机行业。

大临时我们班有15个本科生，但最终结业时只剩下3人。我终极能对峙下来，也许是源于从小就对天文学抱有的热爱和洽奇吧。

固然，历程中我也有过动摇，像是在美国博士结业后找事情那段时期，我申请了OPT（Optional Practical Training，专业练习），半年内一定找到事情。其时不确定可否找到好的研究位置，我已经做好了生理预备转到其他范畴上。

不外厥后运气也比力好，总算等来了陆续做科研的时机。在一位哈佛师兄的辅导和关心下，进入了哈佛陆续做博士后研究，才有了我如今对付天文研究的陆续。

做科研就像踢足球

Q：在“科学再起”的路上，高山大学信赖“无用之用”，而天文学每每被看作是科学里最“无用”的一支，您怎么看这种看法？

苟利军：简直，大多数情形下，天文学自己对社会没有太多直接的现实应用。

不外进修天文学或科学更深层的意义，实在是练习我们从“了解一件事”到“办理一个题目”的素养。带着科学头脑走入其他范畴，对待题目的角度以及办理题目的本领每每跟别人有一些差异。

固然，如今的科研也不是“闷头办事”，科研也像贸易那样必要大量相同，像是怎样把本身的事情展示给偕行或是跨行业、跨学科的人看。

怎么把最精华的内容在最短的时间内让别人了解，或是反过来，怎么在最短的时间内谛听到对方最焦点的内容，都是科研路上的检验。 这也是我给门生们的发起：门生时期，只管专心去学。学来的知识不见得能直接挣到钱，但只要累积了焦点本领，不管放到哪个范畴，都市劳绩到好效果。

Q：除了做科研，另有哪些事是您生存的动力源头？

苟利军：我格外喜爱踢足球，在球场上满场飞奔、挥洒汗水让我感触非常痛快酣畅，如今每周我都市踢1-2次，从年轻时间一向到如今。

在我内心，踢足球和做科研的欢乐是一样的，都是一个在既定的规章下，到处飞翔、任意挥洒、自由探究的历程。 我挺好动的。除了足球，险些全部球类好比篮球、羽毛球、乒乓球，攀岩，壁球等等，我都摸遍了。

平常我也格外享受和别人谈天，家人们在差别视角的相互谈天中，能把许多工具想得更明确。

爱科研，也爱科普

Q：除了是科研事情者，您照旧科普图书编辑、科普短视频博主。您喜爱“科普事情者”这个身份吗？

苟利军：我打仗科普，最早是由于《星际穿越》这部影戏。由于我自己研究黑洞，影戏里经心制作的黑洞画面深深震撼和触动了我，以是一知道它出了同名的科普书，我就抓紧跟同事探讨了翻译的事。

随着影戏大热，书也受到了遍及存眷，不少机构聘请我们做演讲，阴差阳错地就打开了科普这道门。

厥后我又翻译了其他册本，还做了一些科普陈诉，好比前次在高山大学，我讲了“查找地生手星以及人类将来”的话题。

Q：科研与科普固然都关乎科学，但前者专注知识自己，后者寻求知识遍及。您在从事科普事情时，怎么去均衡专业性和意见意义性？

苟利军：这一点我也和家人们一样在琢磨。不外不管是科研照旧科普，实在有一点是配合的：它们都得讲一个好的故事，否则做出来的科研陈诉也不会太受接待。

我以为，科研与科普最大的一个差异在于准确性。

科研在乎准确，以是一定用一些数学或物理要领，对种种事物举行准确的形貌，而科普在于普通，要尽大概去公式化，通过浅近、具象的故事，把知识的表面和主规律通报出来。

科学家构建天下，也有点雷同于画家刻画天下，只不外我们利用的是数学和物理东西，而画家利用的是画笔。

绘画当中，我们有精致的工笔画，把每一个细节都刻画出来，这就像科研。同时，我们也有满意的山川画，形似或神似就够了，不必要每个细节都到位，这就像科普。

至于勾画几多细节、故事出来，重要照旧取决于科普的工具，因人和随机应变，以是每一次的科普陈诉都不会完全一样。

科普除了遍及所谓的科学知识之外，另有一个很紧张的作用便是散播喜好科学的种子，盼望可以或许听到科学知识的人，在某个得当的时间，这个种子可以或许唤起他们对付科学的兴趣。

由于社会的进展和前进以及厘革，终极都是必要科学的气力来转变。

※采访＆撰文丨邱施运、邓舒夏

※编辑丨朱珍

论文链接：

1.http://science.sciencemag.org/content/early/2021/02/17/science.abb3363

2.http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abbcd6

3.http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abde4a