黑洞的自旋速率可達光速的86%

 

由于旋轉的黑洞表面并沒有放射出光線,因此天文學家轉而尋找發散出的X射線作為替代,例如跌入一些黑洞的旋轉的物質盤。

人們主要用兩個基本特征描述黑洞:質量與旋轉。通過研究對環繞在周圍的恒星所產生的引力效應,天文學家在幾十年前便已經能夠測量一個黑洞的質量。但測量旋轉——即記錄落入黑洞的物質的角動量——卻被證明是一件非常麻煩的事情,特別是對于位于星系中央的特大質量黑洞而言尤為如此。由于旋轉的黑洞表面并沒有放射出光線,因此天文學家轉而尋找發散出的X射線作為替代,例如跌入一些黑洞的旋轉的物質盤。

這樣間接的旋轉測量方式如今適用于19個質量已知的特大質量黑洞。近日,天文學家報告說,盡管未經檢驗,但他們已經利用一種新的技術計算出另一個特大質量黑洞的旋轉速度,從而為捕捉這種難以捉摸的速度提供了另一種可供選擇的方法。英國劍橋大學天文學家Andrew Fabian表示:“對于那些認為我們正在得到一幅有關黑洞旋轉連續畫面的人而言,這是一個非常重要的數字。”

用來測量黑洞旋轉的常規方法可以追溯到1995年,盡管直到最近它依然存在爭議。這種方法依賴于探測日冕釋放出的X射線,日冕是由炙熱的電離氣體構成的一個球形暈輪,恰好位于黑洞吸積盤平面的上方與下方。這些X射線中的一些被吸積盤反彈后射向地球。天文學家在這些射線中,有時能夠識別出顯著的鐵發射譜線特征。黑洞旋轉速度越高,吸積盤距離黑洞表面越近,就會有越強烈的引力扭曲鐵譜線,并在一個更寬泛的X射線能量范圍內傳播這一特征。

然而對于這種方法的質疑正在逐漸浮現。今年2月,天文學家發表了利用美國宇航局去年啟動的NuSTAR項目獲得的數據計算出的旋轉結果。主持該項研究的馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理學中心的天文學家Guido Risaliti表示,NuSTAR提供了接近高能X射線的機會,從而使得研究人員能夠闡明黑洞引力對鐵譜線產生的影響。與能夠被黑洞和地球之間的氣態云吸收的低能X射線相比,高能X射線受到的影響更小,而一些人推測這可能是導致失真的真正原因。

在這項最新研究中,天文學家利用更直接的方法計算了黑洞的旋轉速度。他們發現了一個質量是太陽1000萬倍的具有約1.5億秒差距的黑洞。利用歐洲空間局的XMM-牛頓人造衛星,他們聚焦于更微弱的、由吸積盤直接釋放的低能X射線——而非鐵譜線。這些X射線的譜形提供了有關吸積盤最內部溫度的間接信息,反過來,這種物質的溫度與其同黑洞表面的距離,以及正在旋轉的黑洞的速度都有直接的關系。計算結果顯示,黑洞正在最多以86%的光速旋轉。

主持這項研究的英國杜倫大學天文學家Chris Done認為,她的結果對利用鐵譜線進行的旋轉測量結果提出了質疑,這是因為那些結果往往超過了光速的90%。“我們正處于自身能力的邊緣。”Done說,“我們有不同的方法,我們希望他們能夠認同。”其他學者則提出,結果的差異可能反映了超大質量黑洞之間的真正差異,表明旋轉可能隨著質量或宇宙時間而變化。

這一發現可謂事關重大。如果特大質量黑洞的旋轉速度真的像利用鐵譜線得到的結果那樣高,那么這些黑洞很可能是由一些罕有的與星系的大碰撞所形成的,在這種情況下,大量物質會從一個方向傾倒入位于中央的黑洞。如果旋轉速度較低——就像Done報告的那樣,那么黑洞則是由許多小型的融合所形成的,其間,很小的物質團從四面八方涌入黑洞。黑洞旋轉的分布因而可以告知研究人員星系演化的歷史,特別是如果天文學家能夠通過研究越來越遠的黑洞,從而最終繪制出伴隨宇宙時間的旋轉變化,則尤為如此。

天文學家同時還想了解,旋轉是否會為一些物質流從某些黑洞中噴出提供能量。但Risaliti指出,在旋轉測量技術依然沒有達成共識之前,他們很難解決這一問題。Risaliti樂觀地指出,未來的X射線觀測將解決這一爭論。他說:“我們還有很長的路要走,但這就是開端。”