恒星级黑洞特征参数自旋的精确测量

Black holes are the simplest celestial bodies in the universe. Astronomical black holes only need two physical quantities (mass and spin) for a complete description. Since the first black hole candidate Cygnus X1 was detected in the 1960s, so far, the mass of more than 20 black hole systems has been dynamically measured. Compared with the mass, the study of black hole spin is much more important and popular because it is the energy source of many theoretical models. Although some progress has been made in the past decade with the use of continuous spectrum and wire contouring for spin measurements, it is still slow, in part because of the lack of broad-band spectroscopy. China’s HXMT (named as Insight) satellite launched in June 2017 has officially started observation. Compared with the past and current X-ray space missions, the HXMT offer significant advantages over broad-band observations and non-pipeup effects, making them ideal for spectroscopic studies of celestial bodies within the Milky Way , Which is also a great convenience for spin measurement. We plan to use HXMT data to measure and confirm the spins of many black hole sources within the Milky Way with X-ray continuous-fitting method and iron-line fitting method, providing the precise measurement to the black hole spin, and in the hope of enhancing the international influence of HXMT Satellites.

黑洞是宇宙间最为简单的一种天体，天文中的黑洞只需要两个量（质量和自旋）就可以完整描述。自从第一个黑洞候选体天鹅座X1在60年代被探测到以来，到目前为止，已经通过动力学的方式对20多个黑洞系统的质量做了测量。相比较质量，黑洞自旋的研究更为重要和热门，因为它是众多理论模型的能量来源。然而对于自旋的测量，利用连续谱和铁线轮廓拟合的方式，尽管在过去的十年多取得了一些进展，但是依旧缓慢，其中部分原因就是宽波段光谱的缺乏。中国慧眼卫星于2017年6月发射，目前已经正式运行观测。相比较其它的X射线卫星，慧眼卫星在宽波段观测和无堆积效应方面具有极大的优势，非常适合银河系之内天体的光谱研究，这也是为自旋测量提供了极大的便利。我们计划利用慧眼卫星的数据对于银河系之内的众多黑洞源的自旋，利用连续谱和铁线轮廓拟合的方式进行测量和确认，在给出黑洞自旋精确测量结果的同时，也希望增强慧眼卫星在国际上的影响力。

天体基本物理量的精确测量是深入研究一个天体的基石。就宇宙学黑洞而言，它是性质最为简单的一类天体，理论上只需要两个物理量（质量和角动量，角动量通常也用自旋来表示）就可以完整描述，把不同的黑洞区分开来。宇宙学研究现在已经进入了所谓的精确宇宙学阶段，误差达到了1%左右，尽管众多的天文研究方向还不能达到这个精度，但精确测量一直是是包括申请人在内的天文学家追求的目标。随着观测以及多方面技术的改进，黑洞质量和自旋的测量已经可以取得较高的精度。本项目就是利用目前已经成熟的X射线连续谱测量方法和铁线拟合方法，借助于中国慧眼卫星以及其它相关的X射线卫星数据对黑洞的自旋作出了精确限制。我们团队和澳大利亚以及美国的合作者一起对于第一个恒星级黑洞系统的距离、质量和自旋等基本性质再次作出了限制，结果发现此黑洞的质量达到了21倍太阳质量，并且它的视界面的自转速度至少超过了95%的光速，这是目前唯一一个性质如此极端的系统，也是最重的X射线黑洞系统，并且测量精度达到了10%之内，精确的测量结果也为前身星的演化提供了极好的限制，相关结果发表在《科学》杂志上（2021年2月）。此外，利用慧眼卫星数据、NuStarr卫星数据和一些其他数据，我们还对包括MAXI J1820、MAXI J1659、AT2019wey、MAXI J1836、4U1543、MAXI J1348、MAXI J1803等其他8个黑洞X射线系统的自旋做了精确限制，相应的结果都已经发表或者已经被接收（7篇发表，1篇接收），所有这些结果均发表在国际一流期刊上，包括ApJ、MNRAS和中国科学英文版。目前所测量得到的黑洞自旋结果，要比引力波所测量得到的自旋大很多，整体表现出与完全不同的性质。随着包括黑洞自旋在内基本性质的精确测量，可以让我们深入理解黑洞表现特性的同时，也能够让我们更好地理解这些黑洞的演化历史。