科学家敲定黑洞自旋速率 最快为光速86%

旋转吸积盘释放的x射线表明了超大质量黑洞的旋转速度。资料来源:JPL-加州理工学院/美国航天局

人们主要用两个基本特征来描述黑洞:质量和旋转。几十年前，天文学家通过研究周围恒星的引力效应，能够测量黑洞的质量。然而，测量旋转——也就是记录落入黑洞的物质的角动量——被证明是一件非常麻烦的事情，特别是对于位于星系中心的超大质量黑洞。由于旋转的黑洞表面不发光，天文学家转而寻找发射的X射线作为替代，例如旋转的物质圆盘落入一些黑洞。

这种间接旋转测量方法现在适用于19个已知质量的超大质量黑洞。最近，天文学家报告说，虽然他们还没有被测试过，但他们已经使用了一种新技术来计算另一个超大质量黑洞的旋转速度，从而提供了一种捕捉这种难以捉摸的速度的替代方法。英国剑桥大学的天文学家安德鲁·法比安说:“对于那些认为我们正在得到黑洞旋转的连续图像的人来说，这是一个非常重要的数字。”

测量黑洞旋转的传统方法可以追溯到1995年，尽管直到最近仍有争议。这种方法依赖于对日冕发出的X射线的探测，日冕是一个热电离气体的球形日冕，位于黑洞吸积盘平面的正上方和下方。其中一些x光从吸积盘反弹回来，然后撞击地球。天文学家有时能在这些射线中识别出突出的铁发射线特征。黑洞的旋转速度越高，吸积盘离黑洞表面越近，引力就会越强，从而扭曲铁谱线，并在更宽的X射线能量范围内传播这一特征。

然而，对这种方法的怀疑正在逐渐出现。今年2月，天文学家公布了利用美国国家航空航天局去年启动的NuSTAR项目的数据计算的自转结果。领导这项研究的马萨诸塞州剑桥哈佛-史密森纳天体物理中心的天文学家吉多·里萨利蒂说，中子星提供了高能X射线，使研究人员能够阐明黑洞引力对铁谱线的影响。与可以被黑洞和地球之间的气体云吸收的低能X射线相比，高能X射线受影响较小，一些人推测这可能是扭曲的真正原因。

在这项最新的研究中，天文学家使用了一种更直接的方法来计算黑洞的旋转速度。他们发现了一个质量是太阳1000万倍、质量约为1.5亿秒的黑洞。利用欧洲航天局的XMM- Newton卫星，他们将注意力集中在吸积盘直接释放的较弱、低能量的X射线上，而不是铁线上。这些X射线的光谱提供了吸积盘最内部温度的间接信息。反过来，这种物质的温度与它离黑洞表面的距离和旋转黑洞的速度直接相关。结果显示黑洞最多以光速的86%旋转。

英国达勒姆大学的天文学家克里斯·多内领导了这项研究，他说她的结果使人们对用铁光谱线进行旋转测量的结果产生了怀疑，因为这些结果通常超过光速的90%。"我们正处于能力的边缘。"Done说，“我们有不同的方法，希望他们能同意。”其他学者认为，结果的差异可能反映了超大质量黑洞之间的真正差异，表明旋转可能随着质量或宇宙时间而变化。

这一发现意义重大。如果超大质量黑洞的旋转速度真的和用铁光谱线获得的一样高，那么这些黑洞可能是由一些罕见的与星系的大碰撞形成的，在这种情况下，大量物质将从一个方向涌入位于中心的黑洞。如果旋转速度很低——如Done报道的那样——那么黑洞是由许多小的融合形成的，在此过程中，小质量的物质从各个方向涌入黑洞。因此，黑洞旋转的分布可以让研究人员了解星系演化的历史，特别是如果天文学家能够通过研究越来越远的黑洞，最终绘制出伴随宇宙时间的旋转变化。

天文学家还想知道旋转是否会为某些物质流从某些黑洞中喷射提供能量。然而，里萨利蒂指出，除非在旋转测量技术上仍然没有达成共识，否则他们很难解决这个问题。Risaliti乐观地指出，未来的x射线观测将解决这一争议。他说:“我们还有很长的路要走，但这只是开始。”(赵茜·Xi)

《中国科学报》(国际版，第二版，2013年8月8日)