天文学家首次利用摆动的恒星材料测量超大质量黑洞的自转

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天文学家首次利用摆动的恒星材料测量超大质量黑洞的自转。来源：CC0公共域

据麻省理工学院（Jennifer Chu）：麻省理工学院、美国国家航空航天局和其他地方的天文学家有了一种新的方法来测量黑洞旋转的速度，方法是利用其恒星盛宴带来的不稳定后果。

该方法利用了黑洞潮汐破坏事件的优势，即黑洞对经过的恒星施加潮汐并将其撕成碎片的明亮时刻。当恒星被黑洞巨大的潮汐力破坏时，一半的恒星被吹走，另一半被抛向黑洞周围，产生一个由旋转恒星物质组成的炽热吸积盘。

麻省理工学院领导的团队已经证明，新创建的吸积盘的摆动是计算出中心黑洞固有自转的关键。

在《自然》杂志上发表的一项研究中，天文学家报告称，他们通过追踪潮汐破坏事件后黑洞立即产生的X射线闪光模式，测量了附近超大质量黑洞的自转。

研究小组对这些闪光进行了几个月的跟踪研究，确定它们很可能是一个明亮炽热的吸积盘的信号，当它被黑洞自身的旋转推动和拉动时，吸积盘来回摆动。

通过追踪圆盘的摆动是如何随时间变化的，科学家们可以计算出圆盘受到黑洞自转影响的程度，进而计算出黑洞本身的自转速度。他们的分析表明，黑洞的自转速度不到光速的25%，而且相对较慢。

该研究的主要作者、麻省理工学院研究科学家Dheeraj“DJ”Pasham表示，未来几年，这种新方法可以用来测量本地宇宙中数百个黑洞的自旋。如果科学家们能够调查附近许多黑洞的自转，他们就可以开始了解这些引力巨星是如何在宇宙历史上进化的。

“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的长期问题，”麻省理工学院卡夫利天体物理和空间研究所的成员Pasham说。

该研究的合著者包括来自多个机构的合作者，包括美国国家航空航天局、捷克共和国马萨里克大学、利兹大学、雪城大学、特拉维夫大学、波兰科学院等。

切碎的热量

随着时间的推移，每个黑洞都有一个固有的自旋，这个自旋是由其宇宙遭遇所形成的。例如，如果黑洞主要是通过吸积生长的——一些物质掉落到圆盘上的短暂例子，这会导致黑洞以相当高的速度旋转。相比之下，如果一个黑洞主要是通过与其他黑洞合并而增长的，那么每次合并都可能减缓速度，因为一个黑洞的自转与另一个的自转相遇。

当黑洞旋转时，它会拖动周围的时空。这种拖动效应是Lense Thirring岁差的一个例子，这是一种长期存在的理论，描述了极强的引力场（如黑洞产生的引力场）对周围空间和时间的拉动方式。通常情况下，这种影响在黑洞周围并不明显，因为大质量的物体不会发光。

但近年来，物理学家提出，在潮汐破坏事件（TDE）等情况下，科学家可能有机会追踪恒星碎片拖动时发出的光。然后，他们可能希望测量黑洞的自转。

特别是，在TDE过程中，科学家预测恒星可能从任何方向坠落到黑洞上，产生一个白热化的碎片状物质盘，这些物质可能相对于黑洞的自转倾斜或错位。（想象吸积盘是一个倾斜的圆环，它围绕着一个有自己独立旋转的圆环洞旋转。）

当圆盘遇到黑洞的旋转时，当黑洞将其拉成一条直线时，它会摆动。最终，当圆盘进入黑洞的旋转时，摆动会减弱。因此，科学家们预测，TDE的摆动盘应该是黑洞自转的可测量特征。

帕萨姆说：“但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。”

高节奏的接球

在过去的五年里，帕萨姆一直在寻找足够明亮、足够接近的潮汐破坏事件，以快速跟进和追踪伦斯·蒂林岁差的迹象。2020年2月，他和他的同事们很幸运地探测到了AT2020ocn，这是一种明亮的闪光，从大约10亿光年外的星系发出，最初是由Zwicky瞬态设施在光带中发现的。

从光学数据来看，闪光似乎是TDE之后的最初时刻。帕萨姆怀疑，由于TDE既明亮又相对较近，它可能是寻找圆盘摆动迹象的理想候选者，并可能测量宿主星系中心黑洞的自转。但要做到这一点，他需要更多的数据。

帕萨姆说：“我们需要快速、高节奏的数据。”。“关键是要尽早捕捉到这一点，因为这种进动或摆动只会在早期出现。任何时候，圆盘都不会再摆动了。”

研究小组发现，美国国家航空航天局的NICER望远镜能够捕捉到TDE，并在几个月的时间里持续关注它。NICER是中子星内部成分ExploreR的缩写，是国际空间站上的一台X射线望远镜，用于测量黑洞和其他极端引力物体周围的X射线辐射。

Pasham和他的同事在最初检测到潮汐破坏事件后的200多天里查看了NICER对AT2020ocn的观测结果。他们发现，这一事件发射的X射线似乎每15天达到一次峰值，持续了几个周期，最终逐渐消失。

他们将这些峰值解释为TDE的吸积盘正面摆动，直接向NICER的望远镜发射X射线，然后在继续发射X射线时摆动离开（类似于每15天向某人挥舞一次手电筒）。

研究人员采用了这种摆动模式，并将其纳入Lense Thirring进动的原始理论中。根据对黑洞质量和被破坏恒星质量的估计，他们能够对黑洞的自转做出估计——不到光速的25%。

他们的研究结果标志着科学家首次利用潮汐破坏事件后摆动圆盘的观测结果来估计黑洞的自转。随着鲁宾天文台等新望远镜在未来几年上线，帕萨姆预计会有更多的机会来确定黑洞的自转。

帕萨姆说：“超大质量黑洞的旋转告诉你这个黑洞的历史。”。“即使鲁宾捕捉到的一小部分有这种信号，我们现在也有了一种方法来测量数百个TDE的自旋。然后我们就可以对黑洞如何随着宇宙年龄的增长而进化做出重大声明。”