遥远的、巨大的黑洞几乎以光速旋转

新的望远镜观测成果有助于揭示黑洞物理学的一大谜团。
这张艺术概念图展示了一个质量是太阳数百万到数十亿倍的超大质量黑洞。黑洞被流入其中的物质环绕,形成了一个吸积盘。图中还显示了一个喷射出的高能粒子喷流,据信是由黑洞的自转驱动的。高能X射线照亮了吸积盘,吸积盘会反射这些X射线,从而使吸积盘成为X射线源。反射光使得天文学家能够了解吸积盘内部物质的旋转速度,并最终测量黑洞的自转速率。NASA/JPL-Caltech

任何东西都无法逃离黑洞,即使是光,因为要想摆脱其巨大的引力束缚,速度必须超过光速。据我们所知,没有任何东西能做到这一点。当物质落入黑洞的巨大“口”中时,它会被加热到数百万度,在被撕裂时发出X射线的最后哀鸣。在被称为事件视界的一个特定点,物质消失得无影无踪,再也无法被探测到。

一对X射线望远镜最近观测到了一些这样的X射线“死亡哀鸣”,并能够确定黑洞的自转速度。据参与NASA的核光谱望远镜阵列(NuSTAR)太空望远镜研究的研究人员称,这对黑洞科学来说是“极其重要”的。一个特别令人兴奋的发现是:该黑洞的自转速度几乎接近爱因斯坦引力理论所允许的极限。它的自转速度接近光速。

此次研究涉及的星系名为NGC 1365,其大小约为银河系的2倍,距离我们约6000万光年。该黑洞的质量约为太阳的200万倍。科学家们使用NuSTAR和欧洲空间局的XMM-牛顿卫星来测量其自转速度。这是黑洞的一个关键特征,与其大小以及吞噬恒星、气体甚至其他黑洞的方式有关。

问题在于,黑洞难以研究,因为,你知道,连光都无法逃脱。要测量它们,就必须测量它们对其周围环境的影响——例如,由垂死物质发出的X射线。这很难做到,因为在我们与黑洞之间可能存在阻碍物,导致X射线看起来发生扭曲。一直以来,有两种相互竞争的模型试图解释X射线为何看起来扭曲:一种是黑洞引力引起的引力畸变,另一种是中间气体尘埃云引起的畸变。

在这项新研究中,NuSTAR和XMM-牛顿卫星致力于确定哪种模型是正确的。望远镜仔细追踪了从黑洞最边缘、即事件视界(或称“不归点”)附近发出的X射线。通过结合它们各自的观测能力,这两台望远镜能够观测到广泛的X射线能量,并确定X射线并非被中间的气体云扭曲。它们看起来扭曲是因为黑洞在自转,其巨大的引力在物质旋转时扭曲了时空。这些信息被用来判断黑洞的自转速度:仅略低于宇宙速度极限。

除了关于这个特定黑洞的新信息外,这项研究还表明,黑洞观测可以消除一些歧义。这将有助于天文学家继续揭开这些星系巨兽的奥秘。一篇描述这些发现的论文本周发表在《自然》杂志上。

美国国家航空航天局 (NASA)

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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