钱德拉X射线天文台与VLA揭示银河黑洞快速旋转扭曲时空的现象

0 cnBeta.COM 2024-02-10 16:36:22

摘要：

一项新的研究可能有助于解决银河系超大质量黑洞的旋转速度问题。这个黑洞被称为人马座 A*（Sgr A*），其质量约为太阳的 400 万倍。这项研究利用美国国家航空航天局的钱德拉 X 射线天文台和美国国家科学基金会的甚大阵列（VLA）发现 Sgr A* 正在快速旋转。这种高度自旋使 Sgr A* 周围的时空发生扭曲，因此它看起来像是一个美式足球的形状。

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这幅艺术家绘制的插图显示了银河系中心超大质量黑洞和周围物质的横截面。中心的黑色球体代表黑洞的事件穹界，也就是不归点，任何东西，甚至光，都无法从这里逃逸。从侧面看旋转的黑洞，如图所示，周围的时空形状就像一个美式足球。两侧的黄橙色物质代表围绕黑洞旋转的气体。这些物质不可避免地向黑洞坠落，一旦落入足球形状的内部，就会穿过事件穹界。因此，足球形状内、事件视界外的区域被描绘成一个空腔。蓝色圆球表示从旋转黑洞两极射出的喷流。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss

这幅艺术家绘制的插图描绘了一项关于银河系中心的超大质量黑洞--人马座 A*（简称 Sgr A*）的最新研究结果。这项研究结果发现，Sgr A* 的旋转速度非常快，以至于它正在扭曲时空--也就是时间和空间的三个维度--使它看起来更像一个足球。

这些结果是由美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台和美国国家科学基金会的卡尔-G-扬斯基甚大阵列（VLA）共同完成的。研究小组采用了一种新方法，利用X 射线和无线电数据，根据物质流向和流出黑洞的方式来确定 Sgr A* 的旋转速度。他们发现Sgr A*的旋转角速度约为最大可能值的60%，角动量约为最大可能值的90%。

黑洞有两个基本特性：质量（重量）和自旋（旋转速度）。确定这两个值中的任何一个，都能让科学家们对任何黑洞及其行为方式了如指掌。过去，天文学家曾使用不同的技术对Sgr A*的旋转速度进行过几次估算，结果从Sgr A*完全不旋转到几乎以最大速度旋转不等。

新的研究表明，Sgr A*实际上正在快速旋转，这导致它周围的时空被挤压。图中显示的是 Sgr A* 的横截面以及围绕它旋转的物质盘。中心的黑色球体代表了所谓的黑洞事件视界，也就是不归点，任何东西，甚至光都无法从这里逃逸。

如图所示，从侧面观察旋转的黑洞，周围的时空形状就像一个足球。旋转速度越快，足球就越扁平。

两侧的黄橙色物质代表围绕 Sgr A* 旋转的气体。这些物质不可避免地会坠向黑洞，一旦落入足球形状内部，就会穿过事件视界。因此，足球形状内、事件视界外的区域被描绘成一个空腔。蓝色圆球表示从旋转黑洞两极喷射而出的喷流。从顶部沿着喷流的枪管俯视黑洞，时空是一个圆形。

人马座 A* 及其周围区域的钱德拉 X 射线图像。资料来源：NASA/CXC/威斯康星大学/Y.Bai, et al.

黑洞的自旋可以作为一种重要的能量来源。旋转的超大质量黑洞在提取自旋能量时会产生诸如喷流之类的准直外流，这就要求黑洞附近至少有一些物质。由于 Sgr A* 周围的燃料有限，这个黑洞近千年来一直相对安静，喷流也相对较弱。然而，这项研究表明，如果Sgr A*附近的物质数量增加，这种情况可能会改变。

为了确定Sgr A*的自旋，作者使用了一种被称为"外流法"的基于经验的技术，该技术详细说明了黑洞的自旋与其质量、黑洞附近物质的特性以及外流特性之间的关系。准直外流产生无线电波，而黑洞周围的气体盘则产生 X 射线辐射。利用这种方法，研究人员将钱德拉和 VLA 的数据与其他望远镜对黑洞质量的独立估计结合起来，对黑洞的自旋进行了约束。