天文学家使用摆动的恒星材料首次测量了超大质量黑洞的自旋

麻省理工学院、美国宇航局和其他地方的天文学家有一种新方法来测量黑洞的旋转速度，方法是利用其恒星盛宴的摇摆余波。

该方法利用了黑洞潮汐破坏事件 – 当黑洞对经过的恒星施加潮汐并将其撕成碎片时，这是一个非常明亮的时刻。当恒星被黑洞巨大的潮汐力破坏时，恒星的一半被吹走，而另一半则被甩在黑洞周围，产生一个非常热的旋转恒星物质吸积盘。

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中心黑洞固有自旋的关键。

在今天发表在 《自然》杂志上的一项研究中，天文学家报告说，他们通过跟踪黑洞在潮汐破坏事件后立即产生的X射线闪光模式，测量了附近超大质量黑洞的自旋。研究小组跟踪了几个月的闪光，并确定它们可能是一个明亮的吸积盘的信号，当它被黑洞自身的旋转推拉时来回摆动。

通过跟踪圆盘的摆动如何随时间变化，科学家们可以计算出圆盘受黑洞自旋的影响程度，进而计算出黑洞本身的自转速度。他们的分析表明，黑洞的旋转速度不到光速的25%，随着黑洞的移动，速度相对较慢。

该研究的主要作者，麻省理工学院研究科学家Dheeraj “DJ” Pasham表示，这种新方法可用于测量未来几年本地宇宙中数百个黑洞的自旋。如果科学家能够调查附近许多黑洞的自旋，他们就可以开始了解引力巨星在宇宙历史上是如何演化的。

“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整体分布，并了解它们如何随着时间的推移而演变的长期问题，”麻省理工学院Kavli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，它是由宇宙的相遇所塑造的。例如，如果一个黑洞主要通过吸积而增长——当一些物质落在圆盘上时，这会导致黑洞以相当高的速度旋转。相反，如果一个黑洞主要通过与其他黑洞合并而增长，那么当一个黑洞的自旋与另一个黑洞的自旋相遇时，每次合并都会减慢速度。

当黑洞旋转时，它会拖曳周围的时空。这种阻力效应是Lense-Thirring进动的一个例子，这是一个长期存在的理论，描述了极强的引力场（例如黑洞产生的引力场）可以拉动周围空间和时间的方式。通常，这种效应在黑洞周围并不明显，因为大质量物体不发光。

但近年来，物理学家提出，在潮汐破坏事件（TDE）期间，科学家可能有机会跟踪恒星碎片的光，因为它被拖曳。然后，他们可能希望测量黑洞的自旋。

特别是，在TDE期间，科学家预测恒星可能会从任何方向落到黑洞上，产生一个白热的碎状物质盘，这些物质可能会相对于黑洞的自旋倾斜或错位。（将吸积盘想象成一个倾斜的甜甜圈，它围绕着一个有自己独立旋转的甜甜圈孔旋转。当圆盘遇到黑洞的自旋时，它会随着黑洞将其拉入对齐而摆动。最终，随着圆盘进入黑洞的自旋，晃动消退。因此，科学家预测，TDE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察结果，”帕沙姆说。“你能做到这一点的唯一方法是，一旦潮汐破坏事件发生，你需要让望远镜连续观察这个物体，持续很长时间，这样你就可以探测各种时间尺度，从几分钟到几个月。

高节奏的捕捉

在过去的五年里，Pasham一直在寻找足够明亮、足够接近的潮汐破坏事件，以快速跟踪和跟踪Lense-Thirring进动的迹象。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，来自大约 10 亿光年外的星系，最初是由 Zwicky 瞬态设施在光学波段发现的。

从光学数据来看，闪光似乎是TDE之后的最初时刻。由于既明亮又相对较近，Pasham怀疑TDE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旋转。但为此，他需要更多的数据。

“我们需要快速、高节奏的数据，”Pasham 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。再过一会儿，磁盘就不会再晃动了。

该团队发现，美国宇航局的NICER望远镜能够捕捉到TDE，并连续数月持续关注它。NICER是Neutron star Interior Composition ExploreR的缩写，是国际空间站上的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和他的同事们在最初检测到潮汐破坏事件后的200天内查看了NICER对AT2020ocn的观测。他们发现，该事件发出的X射线似乎每15天达到一次峰值，持续几个周期，然后最终逐渐消失。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，然后随着它继续发射X射线而摇晃（类似于每15天挥舞手电筒）。

研究人员采用了这种摆动模式，并将其纳入了Lense-Thirring进动的原始理论中。根据对黑洞质量的估计，以及被破坏恒星的质量，他们能够得出黑洞自转的估计值 – 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盘的观测来估计黑洞的自旋。

“黑洞是迷人的物体，我们看到的落在它们身上的物质流可以产生宇宙中一些最明亮的事件，”该研究的合著者、利兹大学理论物理学副教授克里斯尼克松说。“虽然还有很多我们不了解的地方，但有令人惊叹的观测设施不断给我们带来惊喜，并产生新的探索途径。这次活动就是其中之一。

随着鲁宾天文台（Rubin Observatory）等新望远镜在未来几年内上线，帕沙姆预计会有更多机会来确定黑洞的自旋。

“超大质量黑洞的自旋告诉你这个黑洞的历史，”帕沙姆说。“即使Rubin捕获的一小部分具有这种信号，我们现在也有办法测量数百个TDE的自旋。然后，我们就可以对黑洞如何在宇宙年龄中演化发表重要声明。

这项研究部分由美国宇航局和欧洲航天局资助。