人类发现的第一个黑洞1

天鹅座Cygnus X-1是一个位于天鹅座的X射线源，也是第一个被广泛认为是黑洞的天体 。

有关这个黑洞还有一段有趣的，值得铭记的往事。

1974年，著名物理学家斯蒂芬霍金与基普索恩签下了一个书面赌约，天鹅座X-1到底是不是一个黑洞。

基普索恩赌它是，霍金赌它不是。

基普如果赢了将获得一年的Penthouse，霍金如果赢了将获得《私家侦探》杂志四年。

霍金在 1990 年承认了输掉了这个赌注，并给基普订购了一年的Penthouse，一份男人喜欢的杂志，据说引起了吉普妻子的愤怒。

基普是2017年诺贝尔物理学奖获得者，广为人知的是著名电影《星际穿越interstellar》的科学顾问，正是这位诺贝尔物理学奖获得者的深度参与，才使得电影中黑洞的场景那样真实。

黑洞是宇宙中最神秘和最引人入胜的天体之一，但它们也是很难观测和证实的。黑洞是由于引力塌缩而形成的极端密集的物质，它们的引力场如此强大，以至于连光都无法逃逸。因此，黑洞本身是不可见的，只能通过它们对周围环境的影响来间接探测。

在20世纪60年代，天文学家开始使用X射线望远镜来寻找可能隐藏着黑洞的X射线源。X射线是一种高能量的电磁辐射，可以穿透大气层到达地球轨道。X射线源通常是由于两个密切相连的恒星组成的双星系统产生的，其中一个恒星是一个普通的可见光恒星，另一个则是一个致密天体，如中子星或黑洞。致密天体会从可见光恒星上吸收物质，并形成一个旋转盘，在这个过程中释放出大量的X射线。

1964年9月5日，美国国家航空航天局（NASA）发射了一枚亚轨道火箭，在高空携带了一对盖革计数器（Geiger counters），用来探测来自太空的X射线。在飞行过程中，盖革计数器检测到了一些异常强烈和稳定的X射线信号。

天鹅座X-1是一个强烈的X射线源，也是第一个提供了黑洞存在的重要证据的天体。天鹅座X-1位于距离地球约7000光年的天鹅座中，它是一个高质量X射线双星系统，包括一个蓝色超巨星变星HDE 226868和一个不可见的伴星。这两颗恒星以5.6天为周期围绕着彼此旋转。那么，科学家是如何确定天鹅座X-1是一个双星系统的呢？

首先，科学家通过观测HDE 226868的光谱变化来推断出它有一个伴星。光谱变化是指恒星发出的光在波长上发生周期性的移动，这是由于多普勒效应造成的。当恒星沿着视线方向向我们靠近时，它发出的光会向蓝色移动；当恒星沿着视线方向远离我们时，它发出的光会向红色移动。这种现象被称为径向速度曲线。

科学家通过分析HDE 226868的径向速度曲线，可以计算出它和伴星之间的轨道参数，比如轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角等。这些参数可以帮助科学家估算出伴星对HDE 226868产生的引力作用大小，从而推导出伴星的质量函数。

质量函数是指在双星系统中，一颗恒星对另一颗恒星产生引力作用所需最小质量。如果知道了两颗恒星之间距离和相对速度，并假设两颗恒星围绕着共同质心运动，则可以利用开普勒第三定律计算出质量函数。

根据HDE 226868和天鹅座X-1之间的质量函数，科学家得到了天鹅座X-1至少有8.7个太阳质量。这个结果让科学家非常惊讶，因为按照当时已知的物理理论，没有任何一种已知类型的恒星能够达到这样高的质量而不崩溃成黑洞或中子星。

通过对这个双星系统的轨道分析，人们得出了一个惊人的结论：不可见的伴星的质量至少是太阳质量的14倍，而根据爱因斯坦的广义相对论，这样大的质量只能对应一个黑洞 。

天鹅座X-1因此成为了第一个被认为含有黑洞的双星系统，也是第一个提供了黑洞存在证据的天体。但是，这种证据并不是绝对确凿的，因为还有其他可能性可以解释不可见伴星的性质，比如说它可能是一颗中子星或者一颗奇异恒星。那么，我们如何才能进一步证实黑洞的存在呢？

一种方法是利用引力波探测器来寻找黑洞与其他天体合并产生的引力波信号。引力波是由于时空扭曲而产生的波动，在2015年被首次直接探测到。引力波探测器可以测量出合并事件中涉及到的天体类型、质量、自转等参数，并且可以与理论预测进行比较。如果发现某些合并事件中有超过太阳质量上限（约3倍） 的致密天体参与，并且符合黑洞模型，则可以作为更强有力地证明黑洞存在。

另一种方法是利用望远镜来观察黑洞周围环境产生的电磁辐射信号。由于黑洞具有极强地引力场，在其附近会形成一个吸积盘，即由高速旋转地气体组成地圆盘状结构 。吸积盘会因为摩擦而加热，并且发出多种波长地电磁辐射，包括可见光、紫外光、X射线等 。通过分析这些电磁辐射地光谱、亮度变化、偏振等特征，可以推断出吸积盘地物理参数，并且与黑洞模型进行比较。如果发现某些电磁辐射信号与预期地黑洞特征相符，则可以作为更直接地证明黑洞存在。

近年来，科学家利用不同的观测手段对Cygnus X-1进行了更精确和更深入的探测，揭示了它的一些新特征和性质。

2020年，一组国际天文学家使用多个射电望远镜进行联合观测，重新测量了Cygnus X-1距离地球的距离和质量。他们发现，Cygnus X-1比之前认为的更远约7200光年（之前估计的约 6,000 光年 ），也更重约为太阳的 21 倍 （早前的推算约14.8倍太阳质量）。

这些最新观测结果不仅提高了我们对Cygnus X-1本身的认识，也为我们理解恒星质量黑洞和宇宙中高能过程提供了新的线索。

科学发现从来都是一个持续加深的过程，对发现的现象持续的做出猜想，而新发展的科学猜想、理论与更先进的观测手段也在不断地修改、甚至颠覆曾经发现的现象。

以下有趣的内容来自维基百科，有关与史蒂芬·霍金和基普霍恩在1974年对赌天鹅座X-1是不是黑洞

— 史蒂芬·霍金在《时间简史 (1988)》 中写道：

这对我来说是一种保险形式。我在黑洞方面做了很多工作，如果发现黑洞不存在，那一切都白费了。但在那种情况下，我会很欣慰地赢得我的赌注，这将使我赢得《私家侦探》杂志四年的出版权。如果黑洞确实存在，Kip 将获得一年的Penthouse。当我们在 1975 年打赌时，我们有 80% 的把握认为天鹅座 X-1是一个黑洞。到现在为止，我会说我们大约有 95% 的把握，但赌注尚未确定。

-在时间简史的更新和扩充版中，霍金说：“尽管自从我们在 1975 年下注以来，天鹅座 X-1 的情况并没有太大变化，但现在有很多其他观测证据支持黑洞我已经输了赌注。我支付了指定的罚款，即订阅Penthouse一年，这激怒了 Kip 的妻子。”

虽然霍金描述这个赌注是在 1975 年进行的，但书面赌注本身在“1974 年 12 月第十天见证”下带有见证签名。索恩在2018 年 1 月 10 日的剧集中确认了这一日期。

参考，

https://en.wikipedia.org/wiki/Cygnus_X-1

https://www.sciencenews.org/article/first-black-hole-discovery-cygnus-massive

https://www.britannica.com/topic/HDE-226868

https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E5%9F%BA%E6%99%AE%C2%B7%E7%B4%A2%E6%81%A9

https://zh.wikipedia.org/zh/%E5%8F%B2%E8%92%82%E8%8A%AC%C2%B7%E9%9C%8D%E9%87%91

https://www.quora.com/What-was-the-bet-between-Stephen-Hawking-and-Kip-Thorne-regarding-a-black-hole-at-the-Cygnus-X-1-system-all-about

https://en.wikipedia.org/wiki/Penthouse_(magazine)

https://en.wikipedia.org/wiki/Thorne%E2%80%93Hawking%E2%80%93Preskill_bet