搅动时空的新研究揭示了黑洞旋转速度

科学家通过研究被黑洞摧毁的“意大利面”残骸，计算出了超大质量黑洞旋转的速度。

一颗在超大质量黑洞的胃中惨死的恒星的“摇摆”残骸有助于揭示其宇宙捕食者的旋转速度。

超大质量黑洞被认为是通过较小黑洞的连续合并而诞生的，每个较小黑洞都会带来角动量，加速它们所诞生的黑洞的旋转。因此，测量超大质量黑洞的旋转可以深入了解它们的历史——而新的研究提供了一种新的方法，可以根据旋转黑洞对空间和时间结构的影响来做出此类推论。

在所谓的潮汐瓦解事件 (TDE) 中，本研究核心的这颗注定要失败的恒星被超大质量黑洞以残酷的方式撕碎。 当一颗恒星过于接近黑洞的巨大引力影响时，这些事件就会开始。一旦距离足够近，恒星内部就会产生巨大的潮汐力，水平挤压恒星，垂直拉伸恒星。这被称为“意大利面化”，这个过程将恒星变成一串恒星意大利面，但至关重要的是，并非所有意大利面都被破坏性的黑洞吞噬。

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其中一些物质被吹走，而另一些则包裹在黑洞周围，形成称为吸积盘的扁平云。这个吸积盘不仅逐渐向中心黑洞提供能量，而且最初撕碎恒星的潮汐力也会产生巨大的摩擦力，加热这盘气体和尘埃，使其发出明亮的光芒。 

此外，当超大质量黑洞旋转时，它们会拖动时空的结构（空间和时间的 4 维统一体）。这种所谓的“透镜蒂林”或“参考系拖曳”效应意味着在旋转的超大质量黑洞的边缘没有任何东西是静止的。这种效应还会在新形成的黑洞吸积盘中引起短暂的“摆动”。

现在，一组研究人员发现，吸积盘的“摆动”可用于确定中心黑洞的旋转速度。

麻省理工学院 (MIT) 科学家、团队负责人 Dheeraj“DJ”Pasham 告诉 Space.com：“帧拖曳是所有旋转黑洞周围都存在的一种效应。” “因此，如果扰乱的黑洞正在旋转，那么潮汐瓦解之后恒星碎片流到黑洞上就会受到这种效应的影响。”

神圣的热X射线恒星意大利面！

为了研究 TDE 和帧拖拽，该团队花了五年时间寻找明亮且相对接近的黑洞引发的恒星谋杀的例子，以便可以快速跟进。目标是发现由透镜-蒂林效应引起的吸积盘进动的迹象。

2020年2月，这一寻找取得了成果。该团队成功探测到 AT2020ocn，这是来自距我们约 10 亿光年的星系的明亮闪光。 AT2020ocn 最初是由兹威基瞬态设施在可见光波长中发现的，该可见光数据表明发射源自涉及质量为太阳 100 万至 1000 万倍的超大质量黑洞的 TDE。

“由于透镜-蒂林效应，新形成的热吸积盘发出的 X 射线会进动或‘摆动’。这表现为数据中的 X 射线调制，”Pasham 说。 “然而，过了一段时间，当吸积力下降时，重力会迫使圆盘与黑洞对齐，之后摆动和 X 射线调制就会停止。”

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Pasham 和他的同事怀疑，发射 AT2020ocn 的 TDE 可能是寻找 Lense-Thirring 进动的理想事件，而且由于这种类型的摆动仅在吸积盘形成后的早期出现，因此他们必须迅速采取行动。

“关键是要有正确的观察，”帕沙姆说。 “做到这一点的唯一方法是，一旦潮汐破坏事件发生，你需要用望远镜长时间连续观察这个物体，这样你就可以探测各种时间尺度，从几分钟到几分钟到几个月。”

这就是 NASA 的中子星内部结构 ExploreR (NICER) 的用武之地：一台位于国际空间站 (ISS) 上的 X 射线望远镜，用于测量黑洞和其他超致密、致密的大质量天体（如中子星）周围的 X 射线辐射。研究小组发现，NICER 不仅能够捕捉到 TDE，而且安装在国际空间站上的 X 射线望远镜也能够连续监测该事件在几个月内的发展。

帕沙姆说：“我们发现 TDE 后发射 X 射线的区域的 X 射线亮度和温度会在 15 天的时间尺度上发生变化。” “这种持续 15 天的 X 射线信号在三个月后就消失了。”

该团队的研究结果也令人惊讶。 

对黑洞质量和破碎恒星质量的估计表明，黑洞的旋转速度没有预期的快。帕沙姆说：“令人有点惊讶的是，黑洞的旋转速度没有那么快——仅低于光速的 25%。” 

帕沙姆认为，得益于即将在智利北部建设的维拉·C·鲁宾天文台（Vera C. Rubin Observatory），该天文台将进行为期 10 年的宇宙调查，称为遗产时空调查 (LSST)，TDE 的未来是光明的-打猎。 

“预计鲁宾将在未来十年内探测到数千个潮汐瓦解事件。如果我们能够测量其中一小部分的 Lense-Thirring 进动，我们将能够了解超大质量黑洞的自旋分布，该分布与它们是如何随着宇宙的年龄而进化的，”帕沙姆总结道。 “我们的团队有几个观察建议，以跟进未来的潮汐演化。我们肯定会调查其他潮汐演化黑洞周围的框架拖动！”

该团队的研究成果于周三（5 月 22 日）发表在《自然》杂志上。

最初发布于Space.com