导读 麻省理工学院、美国宇航局和其他地方的天文学家有了一种新方法，利用恒星盛宴产生的不稳定余波来测量黑洞的旋转速度。该方法利用了黑洞潮汐...

麻省理工学院、美国宇航局和其他地方的天文学家有了一种新方法，利用恒星盛宴产生的不稳定余波来测量黑洞的旋转速度。

该方法利用了黑洞潮汐破坏事件——黑洞对路过的恒星施加潮汐并将其撕成碎片时的明亮时刻。当恒星被黑洞巨大的潮汐力扰乱时，一半的恒星被吹走，而另一半则被抛到黑洞周围，产生一个由旋转恒星物质组成的极热吸积盘。

麻省理工学院领导的团队表明，新创建的吸积盘的摆动是计算中心黑洞固有自旋的关键。

在《自然》杂志上发表的一项研究中，天文学家报告说，他们通过跟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旋转。

研究小组跟踪了这些闪光几个月，并确定它们很可能是一个明亮炽热的吸积盘发出的信号，该吸积盘在黑洞自身旋转的推拉下前后摆动。

通过追踪圆盘摆动随时间的变化，科学家们可以计算出圆盘受到黑洞旋转的影响有多大，进而计算出黑洞本身的旋转速度。他们的分析显示，黑洞的旋转速度不到光速的25%——就黑洞而言，这是相对较慢的。

这项研究的主要作者、麻省理工学院研究科学家Dheeraj“DJ”Pasham表示，这种新方法可用于测量未来几年内当地宇宙中数百个黑洞的自旋。如果科学家能够测量附近许多黑洞的自旋，他们就能开始了解引力巨星在宇宙历史中是如何演化的。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所成员帕沙姆表示：“通过在未来几年用这种方法研究几个系统，天文学家可以估算出黑洞自旋的总体分布，并了解它们随时间如何演变这个长期存在的问题。”

该研究的共同作者包括来自多个机构的合作者，包括美国宇航局、捷克共和国马萨里克大学、利兹大学、锡拉丘兹大学、特拉维夫大学、波兰科学院等。

切碎的热量

每个黑洞都有一个固有的自旋，随着时间的推移，它在宇宙中的遭遇所塑造。例如，如果黑洞主要是通过吸积而生长的——当一些物质落到圆盘上的短暂情况下，这会导致黑洞旋转到相当高的速度。相比之下，如果一个黑洞主要通过与其他黑洞合并而生长，那么每次合并都可能会减慢速度，因为一个黑洞的自旋与另一个黑洞的自旋相遇。

黑洞旋转时，会拖拽周围的时空。这种拖拽效应是伦斯-瑟林进动的一个例子，伦斯-瑟林进动是一个长期存在的理论，它描述了极强的引力场(例如黑洞产生的引力场)如何拖拽周围的空间和时间。通常，这种效应在黑洞周围并不明显，因为质量巨大的物体不会发光。

但近年来，物理学家提出，在潮汐瓦解事件(TDE)等情况下，科学家可能有机会追踪恒星碎片被拖曳时发出的光。然后，他们可能希望测量黑洞的自旋。

特别是，在潮汐膨胀过程中，科学家预测一颗恒星可能从任何方向落入黑洞，产生一个由白热的碎片材料组成的圆盘，该圆盘可能会相对于黑洞的自转倾斜或错位。(将吸积盘想象成一个倾斜的甜甜圈，它围绕一个有自己独立旋转的甜甜圈孔旋转。)

当圆盘遇到黑洞的旋转时，它会随着黑洞的拉动而摆动。最终，当圆盘进入黑洞的自转状态时，摆动就会减弱。因此，科学家预测，潮汐瓦解事件的摆动盘应该是黑洞自旋的可测量特征。

“但关键是要有正确的观测，”帕沙姆说。“唯一能做到这一点的方法是，一旦潮汐破坏事件发生，你就需要用望远镜连续观察这个物体很长时间，这样你就可以探测各种时间尺度，从几分钟到几个月。”

高节奏接球

在过去的五年里，帕沙姆一直在寻找足够明亮、足够近的潮汐破坏事件，以便快速跟进和追踪伦斯-蒂林进动的迹象。2020年2月，他和他的同事很幸运，检测到了AT2020ocn，这是一道从约10亿光年外的星系发出的明亮闪光，最初是由兹威基瞬变设施在光波段中发现的。

从光学数据来看，闪光似乎是潮汐力爆发后的第一瞬间。由于潮汐力爆发既明亮又相对较近，帕沙姆怀疑潮汐力爆发可能是寻找盘面摆动迹象的理想候选，并可能测量宿主星系中心黑洞的自旋。但为此，他需要更多数据。

“我们需要快速、高节奏的数据，”帕沙姆说。“关键是要尽早发现这一点，因为这种进动或摆动应该只在早期出现。再晚一点，圆盘就不会再摆动了。”

研究小组发现，NASA的NICER望远镜能够捕捉到TDE，并连续数月对其进行监测。NICER是“中子星内部成分探测器”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和他的同事仔细研究了NICER在最初检测到潮汐破坏事件后200天内对AT2020ocn的观测结果。他们发现，该事件发出的X射线似乎每15天达到峰值，持续几个周期，然后最终逐渐减弱。

他们将这些峰值解读为TDE的吸积盘正面摆动、直接向NICER望远镜发射X射线，然后摆动离开并继续发射X射线的时间(类似于每15天用手电筒朝某人挥动一次，然后再远离某人挥动一次)。

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。根据对黑洞质量和破碎恒星质量的估计，他们能够估计出黑洞的自转速度——小于光速的25%。

他们的研究成果标志着科学家首次利用潮汐瓦解事件后对摆动盘的观测来估计黑洞的自旋。随着鲁宾天文台等新望远镜在未来几年投入使用，帕沙姆预计会有更多机会确定黑洞的自旋。

“超大质量黑洞的旋转告诉你这个黑洞的历史，”帕沙姆说。“即使鲁宾捕获的信号中的一小部分具有这种信号，我们现在也有一种方法可以测量数百个TDE的自旋。然后我们就可以对黑洞如何随宇宙年龄演化做出重大陈述。”