距地球7200光年

太阳能自转，地球也能自转，这事不稀奇。关于地球自转分昼夜的知识，通常是作为一种常识，被大家所熟知。但是“自转星体群”里为何还有一个成员叫“黑洞”？关键是自转的速度居然还高的离奇，以95%的光速自转，那到底是一种怎样的概念？天鹅座X-1天鹅座X-1全称是“Cygnus X-1”，也可以缩写为“Cyg X-1”，是一个位于天鹅座方向的双星系统，最早被认为是黑洞的天体系统之一。

也就是说，天鹅座X-1是继广义相对论提出后，被人类发现的第一个黑洞。

但是从发现它的存在到确认它的黑洞身份，科学家们前前后后花费了许多年。

天鹅座X-1首次被发现，是在1964年，当时坐落在新墨西哥州的白沙导弹基地，向太空中发射了一枚亚轨道火箭。

发现天鹅座X-1的关键并不是这枚火箭，而是在这枚火箭上装载的盖革计数器，这是一个特殊的探测器，可以探测到存在于地球之外的X射线辐射。

作为仅次于伽玛射线的一种高能电磁波，X射线辐射的形成往往需要以高能量爆发为前提条件，也就是说，只要是探测到存在X射线辐射的地方，很可能就能在附近发现高能天体，或者推论出这里曾发生过一场可以产生巨大能量的爆发事件。

而天鹅座X-1就是用盖革计数器发现的八个X射线辐射中的其中之一，但是当时并不能确定它的具体性质。

1971年时，天体科学家们开始追根溯源，寻找这个天鹅座附近的X射线辐射究竟是从什么地方发出的，这一确认就不得了了，他们发现这个X射线的对应光源体是一个编号为HDE226868，体积比太阳大了将近20倍的蓝超巨星。

问题是，这个发淡蓝色光的星星，根本就没有办法为X射线辐射提供所需的高能，于是科学家们推断这颗蓝超巨星或许不是单独存在的。

于是他们猜测，这或许是一个存在伴星的双星系统，共同环绕同一个质点进行有规律的运动。

可是问题又来了，这个伴星怎么观察不到呢？根据公转轨道的参数，可以推断出这个伴星可能是一个质量在2.7倍-10倍之间，体积不超过太阳的一个致密天体——中子星或是黑洞。

具体是哪一种，以当时的设备条件却无法确定。

正是由于这个不确定性的存在，理学家索恩与霍金为争论其到底是黑洞还是中子星而打赌，还曾当场立下字据，当时霍金坚定地认为——这绝对是一颗中子星。

直到20世纪九十年代后期，可以证明天鹅座X-1确实是一个黑洞的证据越来越充分，霍金才签字认输，承认自己输掉这场“赌局”。

这或许是霍金一生中为数不多“看走眼”的时候，但是却把这个由黑洞与蓝超巨星组成的双星系统，带到了大众的视野面前。

如果不是2021年中国科学院发布的最新研究，或许我们对于天鹅座X-1的认识还仍然停留在“距离地球大约6100光年，质量足足有太阳的15倍”。

2021年2月19日，国际科学周刊《科学》杂志和《天体物理学报》中的三篇文章，联合向世人展示了关于天鹅座X-1的最新测量结果——黑洞的最新距离为7240光年，质量增加到了21倍的太阳质量。

这是至今为止，人类观察到的唯一一个黑洞质量超过20倍太阳质量的黑洞射线双星系统，95%的自转速度更是基本上能够与光速水平持平。

质量扩大50%，距离也相比其原先的测量结果来说更加遥远，这不禁让人感叹，对于黑洞的研究工作果然是没有尽头的。

为何天鹅座X-1的自转速度能够趋近光速？为何天鹅座X-1的自转速度能够趋近与光速，对于我们这些“门外汉”来说，的确是一个百思不得其解的问题，但是如果放在物理学上，那就变得简单了很多。

对于黑洞有一定了解的人都知道， 黑洞的质量集中在体积无限小的奇点上的，一般所谓黑洞半径是指“史瓦西半径”，其表示的边界是指事件视界，而对内部的一切我们无法知晓。

而黑洞的转速实际上和它本身的能量没有太大的关系，而是取决于坍缩为黑洞之前恒星本身的转速。

实际上，任意一个黑洞由质量M、角动量J、带电荷Q三个物理量来完全定义的（俗称三毛）。

这里就涉及到了物理学中著名的“角动量守恒定律”。

“角动量守恒定律”是指一个在有心力场中运动的质点，始终受到一个通过力心的有心力作用，因有心力对力心的力矩为零，所以根据角动量定理，该质点对力心的角动量守恒。

根据角动能量守恒定律，坍塌前的恒星一般都是在自转的，而在恒星坍缩的过程中，随着半径不断减小，转速则逐渐提高到接近光速。

也就是说由于恒星坍缩成黑洞后，半径缩小到了原先的万分之一，例如太阳半径大约695500km，坍缩成静态史瓦西黑洞半径只有3km不到。

而根据物理公式，角速度与半径平方成反比，半径平方越小，角速度就越大。

在动量不变的情况下，角速度将大幅增加，也就是自转速度会增加。

因此在恒星坍缩过程中，随着坍缩的进行，半径会原来越小，而自转速度就会越来越大。

当坍塌恒星的剩余质量M确定后，再加上天体的带电荷Q可以忽略不计，唯一能够影响到黑洞自转速度的就是角速度了。

所以黑洞的角动量有个单纯依赖于质量平方的上限值。

简单来说，质量越大的黑洞，角动量的上限也就越大，于是自转的速度也就越快。

那要是按这种发展趋势，再加之这些年天鹅座X-1越来越大的质量，那岂不是就意味着天鹅座X-1的自转速度就会越来越大，且没有上限？如果单从理论上来看，如果黑洞可以被“压缩”成一个无穷小的空间，那么其旋转的速率可能增加至无穷，但是事实上，黑洞无法达到无限的速度上限。

基本上所有的黑洞都面临着“限速”的问题。

来自加州大学洛杉矶分校的天文学教授马克·莫里斯博士就黑洞可能存在“限速问题”提出了一些假设与思路。

天文学家也对超大质量黑洞的旋转进行了探测，并与理论上的极限速度进行对比，比如在NGC 1365内的黑洞正在以84%光速进行旋转，这已经达到了黑洞旋转速度上限。

至于黑洞为何会出现“限速问题”，仍然还处于研究中，希望有一天天文学家们能够为我们找到答案。

黑洞的吸引力既然天鹅座X-1的自转速度如此惊人，那是否会为这个黑洞带来同样惊人的吸引力呢？这就得从黑洞的形成过程与吸引力的产生原理开始聊起了。

黑洞作为一种极端而又特别的天文现象，并不是原本就存在的，在某种意义上，黑洞是一颗星星崩溃坍塌后的形态，或许也可以说这是“星星的另外一种形态”？根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程。

这也就是为何霍金会把天鹅座X-1误认为是中子星的原因了，毕竟；两者的产生过程具有很大相似性，在收集到的材料不完整时，很可能会出现误认的情况。

唯一不同的地方是，中子星的质量不可能超过3个太阳，所以任何质量超过3个太阳的星体就一定是黑洞了。

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