就像海洋中的漩渦一樣，太空中旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)在周圍產(chǎn)生漩渦般的激流。然而，黑洞不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)或水的漩渦。相反，黑洞會(huì)產(chǎn)生由氣體和塵埃組成的圓盤，加熱到幾億度，在x射線下發(fā)光。

利用美國(guó)宇航局錢德拉x射線天文臺(tái)數(shù)據(jù)和跨越數(shù)十億光年的偶然對(duì)準(zhǔn)，天文學(xué)家已經(jīng)部署了一項(xiàng)新技術(shù)來(lái)測(cè)量五個(gè)超大質(zhì)量黑洞的自旋。其中一個(gè)宇宙漩渦中的物質(zhì)，正以超過(guò)光速70%的速度繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，天文學(xué)家利用了一種叫做引力透鏡的自然現(xiàn)象。

只要對(duì)準(zhǔn)正確的方向，一個(gè)大的物體，比如一個(gè)大星系，所產(chǎn)生的時(shí)空彎曲，就能像愛(ài)因斯坦所預(yù)言的那樣，放大并產(chǎn)生一個(gè)遙遠(yuǎn)物體的圖像。在這項(xiàng)最新研究中，天文學(xué)家利用錢德拉和引力透鏡研究了6顆類星體，每顆類星體都由一個(gè)特大質(zhì)量黑洞組成，該黑洞迅速吞噬了周圍吸積盤中的物質(zhì)。這些類星體的光，通過(guò)一個(gè)星系的引力透鏡作用產(chǎn)生了多個(gè)類星體的圖像。如錢德拉望遠(yuǎn)鏡中四個(gè)目標(biāo)的圖像所示：

錢德拉的清晰成像能力是分離每個(gè)類星體的多個(gè)透鏡圖像所必需的。研究人員在這項(xiàng)研究中取得的關(guān)鍵進(jìn)展是，他們利用了“微透鏡”，即在中間的透鏡星系中，單個(gè)恒星為類星體發(fā)出的光提供了額外放大。放大倍數(shù)越高，意味著產(chǎn)生x射線輻射的區(qū)域越小。然后，研究人員利用了旋轉(zhuǎn)黑洞拖拽空間的特性，使得物質(zhì)比非旋轉(zhuǎn)黑洞更接近黑洞的軌道。因此，與緊密軌道相對(duì)應(yīng)的較小發(fā)射區(qū)域通常意味著更快旋轉(zhuǎn)的黑洞。

研究人員從微透鏡分析中得出結(jié)論，x射線來(lái)自如此小的區(qū)域，以至于黑洞一定在快速旋轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，在透鏡狀類星體中，有一個(gè)被稱為“愛(ài)因斯坦十字”的黑洞正在以或幾乎以最大可能的速度旋轉(zhuǎn)。這相當(dāng)于視界，黑洞的不返回點(diǎn)，以光速旋轉(zhuǎn)，大約6.7億英里每小時(shí)。樣本中的其他四個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)速度平均只有最大速度的一半左右。對(duì)于愛(ài)因斯坦交叉星系，x射線發(fā)射來(lái)自于小于視界2。5倍大小的圓盤，而對(duì)于其他4個(gè)類星體，x射線來(lái)自于視界4到5倍大小的區(qū)域。

這些黑洞怎么能轉(zhuǎn)得這么快？

研究人員認(rèn)為，這些超大質(zhì)量黑洞可能是在數(shù)十億年的時(shí)間里，從一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向和自旋方向相似的吸積盤中積累了大部分物質(zhì)而成長(zhǎng)起來(lái)，而不是從隨機(jī)方向。就像旋轉(zhuǎn)木馬不斷被推向同一個(gè)方向，黑洞不斷加速。錢德拉探測(cè)到的x射線是由黑洞周圍吸積盤，在黑洞附近的盤上方形成數(shù)百萬(wàn)度的云或日冕時(shí)產(chǎn)生。來(lái)自日冕的x射線反射到吸積盤內(nèi)邊緣，黑洞附近強(qiáng)大的引力扭曲了反射的x射線光譜。

也就是說(shuō)，在不同能量下看到的x射線數(shù)量，在這里研究的類星體x射線光譜中，所看到的巨大扭曲表明，盤的內(nèi)邊緣一定是靠近黑洞的，這進(jìn)一步證明了它們一定在快速旋轉(zhuǎn)。類星體距離地球88億光年到109億光年，黑洞質(zhì)量是太陽(yáng)的1.6億到5億倍。這些觀測(cè)是用錢德拉望遠(yuǎn)鏡對(duì)引力透鏡類星體進(jìn)行的最長(zhǎng)觀測(cè)，總曝光時(shí)間在1.7天到5.4天之間。

參考期刊《Arxiv》《天體物理學(xué)》

Cite: arXiv:1901.06007

DOI: 10.3847/1538-4357/ab1d56

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