新的搅动时空研究揭示了黑洞的自转速度

虾仔123

黑洞可以撕裂恒星，这种现象被称为潮汐破坏事件。（图片来源：ESA）

据美国生活科学网站（Robert Lea）：一颗恒星在超大质量黑洞的口中可怕地死亡，其“摇晃”的残骸有助于揭示其宇宙捕食者的旋转速度。

超大质量黑洞被认为是通过较小黑洞的连续合并而诞生的，每一个合并都会带来角动量，加速它们诞生的黑洞的旋转。因此，测量超大质量黑洞的自转可以深入了解它们的历史，而新的研究提供了一种新的方法，可以根据自转黑洞对空间和时间结构的影响进行推断。

在一次所谓的潮汐破坏事件（TDE）中，这颗处于这项研究核心的注定要失败的恒星被一个超大质量黑洞以残酷的方式撕裂。当一颗恒星过于靠近黑洞的巨大引力影响时，这些事件就开始了。一旦足够近，恒星内部就会产生巨大的潮汐力，在水平方向挤压恒星，同时垂直方向拉伸恒星。这被称为“spaghettification”，它将恒星变成一股恒星意大利面——但至关重要的是，并不是所有的意大利面都被破坏性的黑洞吞噬了。

其中一些物质被吹走，而另一些物质包裹在黑洞周围，形成一个被称为吸积盘的扁平云。这个吸积盘不仅逐渐为中心黑洞提供能量，而且最初撕裂恒星的潮汐力也会产生巨大的摩擦力，加热这个气体和尘埃盘，使其发出明亮的光芒。

此外，当超大质量黑洞旋转时，它们会拖动时空结构（时空的4维统一体）。这种所谓的“Lense Thirring”或“帧拖动”效应意味着在旋转的超大质量黑洞边缘没有任何东西静止不动。这种效应还导致新形成的黑洞吸积盘出现短暂的“摆动”。

现在，一组研究人员发现，吸积盘的“摆动”可以用来确定中心黑洞的旋转速度。

麻省理工学院（MIT）的科学家、团队负责人Dheeraj“DJ”Pasham告诉Space.com：“帧拖动是所有旋转黑洞周围都存在的一种影响。因此，如果正在旋转的黑洞正在旋转，那么恒星碎片在TDE后流到黑洞上就会受到这种影响。”

神圣的热X射线明星意大利面！

为了研究TDE和帧拖动，该团队花了五年时间寻找可以快速跟进的明亮且相对接近的黑洞引起的恒星谋杀的例子。目标是发现由Lense Thirring效应引起的吸积盘进动的迹象。

2020年2月，这一探索取得了成果。该团队成功探测到了AT2020ocn，这是一种来自大约亿光年外星系的明亮闪光。AT2020ocn最初是由Zwicky瞬态设施在光学波长中发现的，这些可见光数据表明，发射源于一个TDE，该TDE涉及一个质量在太阳100万至1000万倍之间的超大质量黑洞。

Pasham说：“由于Lense Thirring效应，来自新形成的热吸积盘的X射线发射会前进或‘摆动’。这表现为数据中的X射线调制。”。“然而，过一段时间，当吸积功率下降时，重力迫使圆盘与黑洞对齐，之后摆动和X射线调制停止。”

相关：黑洞奇点挑战物理学。新的研究最终可以消除它们。

Pasham和他的同事怀疑，发射AT2020ocn的TDE可能是寻找Lense Thirring岁差的理想事件，因为这种类型的摆动只在吸积盘形成后早期出现，他们必须迅速采取行动。

帕萨姆说：“关键是要有正确的观察结果。”。“唯一能做到这一点的方法是，一旦潮汐破坏事件发生，你需要用望远镜在很长一段时间内连续观察这个物体，这样你就可以探测从几分钟到几个月的各种时间尺度。”



一幅插图显示了一个旋转的超大质量黑洞，它被一颗死恒星的碎片包围，并拖着时空（绿色网格）。（图片来源：Robert Lea（与Canva共同创作））

这就是美国国家航空航天局的中子星内部成分探测器（NICER）的用武之地：这是一台位于国际空间站（ISS）的X射线望远镜，用于测量黑洞和其他超密度、致密大质量物体（如中子星）周围的X射线辐射。研究小组发现，NICER不仅能够捕捉到TDE，而且安装在国际空间站的X射线望远镜也能够在几个月的时间里持续监测这一事件。

帕萨姆说：“我们发现，TDE后发射X射线的区域的X射线亮度和温度在15天的时间尺度上发生调制。”。“这种反复出现的15天X光信号在三个月后消失了。”

研究小组的发现也让人大吃一惊。

对黑洞质量和被破坏恒星质量的估计表明，黑洞的自转速度没有预期的那么快。帕萨姆说：“令人惊讶的是，黑洞的自转速度没有那么快——只有不到光速的25%。”。

帕萨姆认为，由于即将在智利北部建造的维拉·C·鲁宾天文台，该天文台将进行一项名为“空间和时间遗产调查”（LSST）的为期10年的宇宙调查，TDE狩猎的未来是光明的。

帕萨姆总结道：“预计鲁宾将在未来十年内探测到数千个TDE。如果我们能够测量其中哪怕是一小部分的Lense Thirring岁差，我们将能够了解超大质量黑洞的自旋分布，以及它们在宇宙年龄段的演化过程。”。“我们的团队有几个观察建议，以跟进未来的TDE。我们肯定会调查其他TDE黑洞周围的帧拖动！”

该团队的研究于周三（5月22日）发表在《自然》杂志上。