天文学家利用摇摆不定的恒星物质测量超大质量黑洞的自旋

宇宙中大约有 1000 亿个超大质量黑洞，就像持续不断的天体飓风一样不断旋转。一个国际天文学家团队现在找到了一种新方法来测量黑洞的旋转速度，利用黑洞潮汐破坏事件的摇摆余波。这项新方法在 5 月 22 日发表在《自然》杂志上的一项研究中进行了详细介绍，并揭示了黑洞的演化过程。

你让我旋转

所有黑洞都具有一种特征性的自旋，这种自旋是由其随着时间的推移而形成的集体宇宙相遇形成的。如果黑洞主要通过一些恒星物质落到其吸积盘上而成长，那么它的自旋速度会更快。如果黑洞主要通过与其他黑洞合并而成长，那么它的自旋速度会更慢，因为每次合并都会在自旋相遇时减慢速度。

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当黑洞旋转时，它会拖拽周围的时空。这种拖拽效应是伦斯-瑟林进动的一个例子。这个已有 106 年历史的理论描述了非常强的引力场如何拉动周围的空间和时间。这种效应在黑洞周围通常不太明显，因为它们不发光。

追随闪光

物理学家最近提出，在黑洞潮汐瓦解事件 (TDE) 发生后，科学家可能有机会追踪恒星碎片被拖曳时发出的光。这可以帮助测量黑洞的自旋。

在这项研究中，研究小组利用黑洞潮汐力推论提出了一种测量黑洞自旋的新方法。潮汐力推论是黑洞对经过的恒星施加潮汐力，然后将恒星撕成碎片时发生的明亮时刻。当恒星被黑洞巨大的潮汐力撕裂时，恒星的一半被吹走。另一半散布在黑洞周围，形成一个由旋转恒星物质组成的非常热的吸积盘。

在 TDE 期间，科学家预测恒星可能从任何方向坠落到黑洞上。坠落会产生一个白热的碎片状物质盘，然后该物质盘会相对于黑洞的自旋倾斜。当该物质盘遇到黑洞的自旋时，它会随着黑洞将其拉回对齐而摆动。当该物质盘稳定在黑洞的自旋中时，摆动最终会停止。当该物质盘遇到黑洞的自旋时，它会随着黑洞将其拉回对齐而摆动，这可能使 TDE 的摆动盘成为黑洞自旋的可测量特征。

“但关键是要有正确的观测，”研究报告的合著者、麻省理工学院天体物理学家 Dheeraj “DJ” Pasham 在一份声明中表示。“唯一能做到这一点的方法是，一旦潮汐破坏事件发生，你就需要用望远镜连续观察这个物体很长时间，这样你就可以探测各种时间尺度，从几分钟到几个月。”

2020 年 2 月，该团队探测到距离地球约 10 亿光年的星系发出的明亮闪光，该星系被指定为 AT2020ocn。光学数据显示，该闪光是 TDE 之后的最初时刻。由于它如此明亮且距离相对较近，该团队怀疑它将是测量黑洞宿主星系中心自旋的绝佳候选者。

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他们利用国际空间站上的 NASA 中子星内部成分探测器 (NICER) X 射线望远镜，在几个月内持续监测 AT2020ocn。在首次探测到潮汐瓦解事件后，他们跟踪了它 200 多天。该事件发出的 X 射线闪光似乎每 15 天达到峰值，然后逐渐停止。

他们通过跟踪黑洞在潮汐瓦解事件后产生的 X 射线闪光模式来测量附近超大质量黑洞的自转。为此，他们跟踪了几个月的闪光，并确定它们可能是明亮炽热的吸积盘的信号，随着黑洞的自转推动和拉动恒星物质，吸积盘来回摆动。

对于黑洞来说，速度相当慢

通过跟踪圆盘摆动随时间的变化，科学家们可以计算出圆盘受到黑洞旋转的影响有多大。据该团队称，这揭示了黑洞本身的旋转速度。他们发现黑洞的旋转速度不到光速的 25%。这个速度相对较慢，因为黑洞天鹅座 X-1 目前的旋转速度非常接近实际光速。

帕沙姆说：“通过在未来几年用这种方法研究几个系统，天文学家可以估计黑洞自旋的总体分布，并了解它们如何随时间演变这个长期存在的问题。”

未来几年，新方法可用于测量地球附近数百个黑洞的自旋。随着鲁宾天文台等新望远镜投入使用，可能会有更多机会确定这些自旋。

“超大质量黑洞的自旋可以告诉你该黑洞的历史，”帕沙姆说。“即使鲁宾捕获的只有一小部分有这种信号，我们现在也有办法测量数百个潮汐力衰减事件的自旋。然后我们就可以对黑洞在宇宙年龄中如何演化做出重大解释。”