作者:赵熙熙 来源:中国科学报 发布时间:2013-8-8 8:02:35
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科学家敲定黑洞自旋速率 最快为光速86%

 
旋转的吸积盘释放的X射线暗示特大质量黑洞的旋转速度。图片来源:JPL-Caltech/NASA
 
本报讯 人们主要用两个基本特征描述黑洞:质量与旋转。通过研究对环绕在周围的恒星所产生的引力效应,天文学家在几十年前便已经能够测量一个黑洞的质量。但测量旋转——即记录落入黑洞的物质的角动量——却被证明是一件非常麻烦的事情,特别是对于位于星系中央的特大质量黑洞而言尤为如此。由于旋转的黑洞表面并没有放射出光线,因此天文学家转而寻找发散出的X射线作为替代,例如跌入一些黑洞的旋转的物质盘。
 
这样间接的旋转测量方式如今适用于19个质量已知的特大质量黑洞。近日,天文学家报告说,尽管未经检验,但他们已经利用一种新的技术计算出另一个特大质量黑洞的旋转速度,从而为捕捉这种难以捉摸的速度提供了另一种可供选择的方法。英国剑桥大学天文学家Andrew Fabian表示:“对于那些认为我们正在得到一幅有关黑洞旋转连续画面的人而言,这是一个非常重要的数字。”
 
用来测量黑洞旋转的常规方法可以追溯到1995年,尽管直到最近它依然存在争议。这种方法依赖于探测日冕释放出的X射线,日冕是由炙热的电离气体构成的一个球形晕轮,恰好位于黑洞吸积盘平面的上方与下方。这些X射线中的一些被吸积盘反弹后射向地球。天文学家在这些射线中,有时能够识别出显著的铁发射谱线特征。黑洞旋转速度越高,吸积盘距离黑洞表面越近,就会有越强烈的引力扭曲铁谱线,并在一个更宽泛的X射线能量范围内传播这一特征。
 
然而对于这种方法的质疑正在逐渐浮现。今年2月,天文学家发表了利用美国宇航局去年启动的NuSTAR项目获得的数据计算出的旋转结果。主持该项研究的马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理学中心的天文学家Guido Risaliti表示,NuSTAR提供了接近高能X射线的机会,从而使得研究人员能够阐明黑洞引力对铁谱线产生的影响。与能够被黑洞和地球之间的气态云吸收的低能X射线相比,高能X射线受到的影响更小,而一些人推测这可能是导致失真的真正原因。
 
在这项最新研究中,天文学家利用更直接的方法计算了黑洞的旋转速度。他们发现了一个质量是太阳1000万倍的具有约1.5亿秒差距的黑洞。利用欧洲空间局的XMM-牛顿人造卫星,他们聚焦于更微弱的、由吸积盘直接释放的低能X射线——而非铁谱线。这些X射线的谱形提供了有关吸积盘最内部温度的间接信息,反过来,这种物质的温度与其同黑洞表面的距离,以及正在旋转的黑洞的速度都有直接的关系。计算结果显示,黑洞正在最多以86%的光速旋转。
 
主持这项研究的英国杜伦大学天文学家Chris Done认为,她的结果对利用铁谱线进行的旋转测量结果提出了质疑,这是因为那些结果往往超过了光速的90%。“我们正处于自身能力的边缘。”Done说,“我们有不同的方法,我们希望他们能够认同。”其他学者则提出,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。
 
这一发现可谓事关重大。如果特大质量黑洞的旋转速度真的像利用铁谱线得到的结果那样高,那么这些黑洞很可能是由一些罕有的与星系的大碰撞所形成的,在这种情况下,大量物质会从一个方向倾倒入位于中央的黑洞。如果旋转速度较低——就像Done报告的那样,那么黑洞则是由许多小型的融合所形成的,其间,很小的物质团从四面八方涌入黑洞。黑洞旋转的分布因而可以告知研究人员星系演化的历史,特别是如果天文学家能够通过研究越来越远的黑洞,从而最终绘制出伴随宇宙时间的旋转变化,则尤为如此。
 
天文学家同时还想了解,旋转是否会为一些物质流从某些黑洞中喷出提供能量。但Risaliti指出,在旋转测量技术依然没有达成共识之前,他们很难解决这一问题。Risaliti乐观地指出,未来的X射线观测将解决这一争论。他说:“我们还有很长的路要走,但这就是开端。”(赵熙熙)
 
《中国科学报》 (2013-08-08 第2版 国际)
 
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