三根毛的黑洞

    黑洞是宇宙中最神秘的存在，同时也是最为简单的天体。说它简单，是因为仅用三个物理量：质量、角动量（也可以用自旋来表示）、电荷就可以完整地描述一个黑洞，这也是与黑洞相关的最为著名的一条定理：黑洞三毛定理，也常作无毛定理。自旋，可以用一个无量纲的参数a*来定量地表述，它是帮助科学家们更好地理解黑洞物理以及喷流的形成机制的重要基石。此外，自旋还在引力波天文学的研究中起着至关重要的作用。因此对黑洞自旋的精确限制对于我们更好地了解黑洞具有十分重要的意义。迄今为止，依靠动力学方法精确测量了质量的恒星量级黑洞数量有26个。此外，对银河系中心超大质量黑洞质量的精确测量斩获了2020年10月的诺贝尔物理学奖。而相较之下，对于自旋的精确测量难度更大，也更有挑战。
    根据不同的质量，黑洞可以分为恒星级质量黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。通常来说，质量范围落入3-100倍太阳质量的黑洞便归属于恒星级质量黑洞这个庞大的家族，它们是大质量恒星坍缩形成的产物。我们的研究主要是对处于X射线双星中的恒星级质量黑洞的自旋进行限制。
    迄今为止，测量这些黑洞自旋的方法可谓是百花齐放，最早可以追溯到上个世纪末，先后出现了反射谱拟合方法（也称作铁Kα方法）和连续谱拟合方法。在2000年之后，又相继出现了多种测量方法，像高频准周期震荡方法，X射线偏振方法，黑洞事件视界面方法等等。其中前两种测量方法的应用最为广泛，也最为成熟。同时，这两种方法也可以被用来进行交叉检验。

通过探测黑洞附近物质辐射出的X射线的扭曲，可以获得有关黑洞自旋的信息。黑洞吸积盘的旋转方向不一定与黑洞同向。Credit：NASA

新黑洞候选体——AT2019wey的履历

   我们的研究对象：AT2019wey，是2020年被发现的一个新的黑洞候选体，是银河系内的一个小质量X射线暂现源。此外，它还有着很多别称，像SRGA J043520.9+552226, ATLAS19bcxp, ZTF19acwrvzk。在2020年3月8日，这个系统被观测到了一次X射线爆发。结合多波段的观测结果，这个系统被推断可能是由一个黑洞候选体和一个低质量的伴星（Mstar≤1 M⊙）组成，且具有一个较短的轨道周期（Porb≤16h）。自2020年3月8日伊始，AT2019wey开始在X射线波段表现得活跃，但是它在几乎整个爆发的过程中都没有进入软态。

MAXI/GSC观测到的黑洞候选体AT2019wey的光变曲线。

    美国航天局（NASA）的核分光望远镜阵列（NuSTAR）较好地观测到了这次X射线的爆发过程，因此我们采用NuSTAR的数据对处于低/硬态的AT2019wey进行了较为详细的光谱分析。在判断了吸积盘的内半径极可能已经延伸到最内稳定圆轨道，即一个ISCO半径处的前提下，应用了目前最为先进的相对论反射模型relxill家族，我们使用反射谱拟合的方法对AT2019wey的几个重要物理参数都进行了严格的约束。最终发现黑洞AT2019的视界面在以78%的光速转动，这是一个接近极端的自转速度。并且该系统具有一个较小的吸积盘内盘倾角∼22°。此前利用连续谱拟合的方法，发现了位于银河系中心的超大质量黑洞：天鹅座X-1（Cygnus X-1）的自转速度极其接近光速，这也是目前已知的自转速度最快的恒星级质量黑洞。与此同时，基于我们所采用的模型，我们还对吸积盘的其他参数，比如吸积盘的电离态和铁丰度等也做出了限制。该研究结果目前已经发表在《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版期刊上。

利用反射谱拟合方法，使用relxill模型，基于MCMC方法得到的黑洞候选体AT2019wey的基本系统参数。

作者简介 /
    冯叶，中国科学院国家天文台在读博士研究生，主要研究方向为黑洞物理。
    苟利军，中国科学院国家天文台研究员，恒星级黑洞研究团组首席科学家，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理，包括黑洞、引力波和伽马射线暴等，发表包括科学杂志在内的SCI论文40余篇，引用2500余次，2021年对人类历史上的第一个黑洞系统天鹅座X-1的质量和转动做出了最为精确的测量。天鹅座X-1是目前X射线双星系统当中最重并且转动最快的黑洞系统（质量达到21倍的太阳质量，黑洞视界面转动速度高于97%的光速）。

研究详情 /
Y. Feng, X. S. Zhao, L. J. Gou, Y. F. Li, J. F. Steiner, J. A. Garc´ıa, Y. Wang, N. Jia, Z. X. Liao, and H. X. Li, Spectral analysis of new black hole candidate AT2019wey observed by NuSTAR, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 65, 219512 (2022)

来源：中国国家天文