天文學家首次可靠地測量了一個超大質量黑洞的自旋，展示了一種可能幫助解開這些怪物成長和演化之謎的技術。
研究人員確定，螺旋星系 NGC 1365 中心的巨大黑洞的自旋速度約為愛因斯坦廣義相對論允許的最大速度的 84%。這一發現表明，至少一些超大質量黑洞正在快速旋轉——之前的研究已經暗示了這一點，但未能證實。
“這是我們第一次真正可以說黑洞正在旋轉，”研究合著者、帕薩迪納加州理工學院的菲奧娜·哈里森告訴 SPACE.com。“我認為，這對理解黑洞如何成長所帶來的希望是主要的意義。”
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用 X 射線光凝視黑洞
超大質量黑洞幾乎是難以想象的巨大，有些黑洞的質量是我們太陽的 100 億倍或更多。科學家認為，大多數星系（如果不是全部）的中心都潛伏著一個黑洞。[圖集：宇宙中的黑洞]
NGC 1365 位於天爐座，距離地球約 5600 萬光年，確實蘊藏著一個巨大的黑洞——質量相當於數百萬個太陽。而且，這個龐然大物在吞噬氣體和其他附近物質時，正在噴射出大量的能量，使其成為天文學家感興趣的目標。
在這項新研究中，研究人員分析了兩個 X 射線太空望遠鏡——歐洲航天局的 XMM-牛頓天文臺和 NASA 的核光譜望遠鏡陣列 (NuSTAR)——在 2012 年 7 月對 NGC 1365 進行的觀測。
透過專注於鐵原子發射的高能光，望遠鏡能夠追蹤環繞 NGC 1365 黑洞並將其氣體和塵埃漏斗到貪婪的巨口中的扁平旋轉吸積盤的運動。
天文學家發現，這些排放物嚴重扭曲，表明吸積盤的內邊緣可能非常靠近黑洞——足夠近，以至於引力效應會嚴重破壞從吸積盤流出的 X 射線。哈里森說，這反過來意味著黑洞正在快速旋轉，因為廣義相對論指出，黑洞旋轉得越快，它的吸積盤就越能靠近它。
但這只是一種解釋。另一種觀點認為，這種扭曲（以前在吸積盤排放物中觀察到過）可能是由懸掛在超大質量黑洞和觀測它的望遠鏡之間的氣體雲引起的。[宇宙中最奇異的黑洞]
“這一直是一個很大的爭議——兩者中哪個正在發生？”哈里森說。
確定黑洞的自旋
價值 1.65 億美元的NuSTAR 望遠鏡於 2012 年 6 月剛剛發射，最終破解了這個謎題。
利用 NuSTAR 對高能 X 射線的超靈敏測量，天文學家計算出，所謂的 газовые облака 必須非常厚才能產生觀測到的扭曲程度——厚到至少在 NGC 1365 黑洞的情況下，整個想法都站不住腳。
“為了穿透這些厚厚的雲層，黑洞必須非常明亮，以至於基本上會把自己炸開，”哈里森說，她是 NuSTAR 任務的首席研究員。“因此，必然發生的事情是，我們看到的是這些相對論性扭曲。這意味著吸積盤正在靠近黑洞，這意味著黑洞一定在快速旋轉。”
由哈佛-史密森天體物理學中心的圭多·裡薩利蒂和義大利國家天體物理研究所的阿爾切特里天文臺領導的研究小組計算出，這個旋轉速度是廣義相對論允許的速度的 84%。
這個數字很難理解，因為它不能很好地轉化為英里/小時。但可以肯定地說，這個黑洞正在以令人難以置信的速度旋轉。
“實際速度的類比不太正確，”哈里森說。“但你可以說的是，旋轉的黑洞會扭曲它們周圍的時空。如果你站在黑洞附近，基本上你的時空會被扭曲或拖拽，以至於你必須每四分鐘旋轉一次才能靜止不動。”
這項新研究於今天（2 月 27 日）在《自然》雜誌上線上發表。
瞭解黑洞的成長
天文學家認為，超大質量黑洞的大部分自旋是在它們成長過程中獲得的，而不是天生就有的。因此，研究它們的旋轉速度可以深入瞭解這些怪物是如何隨著時間推移而演化的。
例如，NGC 1365 黑洞的超快自旋表明，它不是透過多次小型黑洞合併而成長起來的，哈里森說，因為許多此類混亂事件在同一方向上加速它的自旋的可能性非常低。
相反，NGC 1365 的中心黑洞更有可能透過一次主要的合併，或者僅僅是透過吞噬來自長期保持穩定的吸積盤的物質而獲得自旋。
哈里森說，這項新研究代表了朝著更好地理解超大質量黑洞的性質和演化邁出的第一步。
“我們將進行更多這樣的測量，”她說。“最終，你想要做的是擁有一個更大的望遠鏡，它可以實際測量更遙遠的黑洞，這樣我們就可以利用樣本的統計資料來了解它們是如何在宇宙時間中成長的。”
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