科學家發現黑洞自旋出乎意料的快：“基本上你正在观察它的化石記錄”

By Robert Lea

 published 16 hours ago

    Black Holes

 “黑洞真的位于人類理解的前沿” 。

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一个旋轉超大質量黑洞 的描画。(Image credit: Robert Lea (created with Canva))

科學家們已经發現，一些超大質量黑洞比預期的远更快的旋轉。這一發現以一種新形式的將黑洞自旋聯繫到它們在70多億年宇宙歷史上已经消耗的氣體和塵埃的“黑洞考古學”的結果而来。

这一斯隆數字天空勘查（SDSS） 提供的发现提示幾件事。首先，早期宇宙可能比以前懷疑的一直更有序。其次，超大質量黑洞通過越來越大的黑洞合併鏈（當星系碰撞和合併時觸發）的成長可能被这些天体貪婪的吃食在周圍氣體和塵埃上補充。

來自康涅狄格大學的團隊成員洛根·弗裡斯 （Logan Fries） 在一份聲明中說，“我們已经研究了從今天到远回到 70 億年前在星系中心發現的巨大黑洞，出乎意料的是我們發現了它們旋轉太快不能僅僅被星系合併形成”。

“它們一定很大程度上已经从落入的物質形成，黑洞平滑的生長並加速起它的旋轉” 。

測量黑洞自旋不是容易的

儘管是形成围绕它们的整個星系的宇宙怪物，但質量是太陽數百萬或數十億倍的超大質量黑洞（以及它們更小的恆星質量對應物）總體上是相当簡單的。它們能單獨被刚好三個特性定義：質量、自旋，以及不太重要的電荷。正如物理學家約翰·惠勒 （John Wheeler） 詼諧的解釋這種缺乏区别特徵的一样：“黑洞沒有頭髮”。

弗里斯解釋說，“黑洞似乎异域的，但你能用刚好兩個數字完全的描述它們：質量和自旋速率。問題是那个質量難来測量，而自旋甚至更難”。

（左）藝術家的一个黑洞及它的有不同自旋的吸積盤的印象。（右）在每個 1 個中相應多波長光譜能被觀察到。 (Image credit: Left: NASA/JPL-CaltechRight: Logan Fries and the SDSS collaboration)

一个黑洞自旋的速度是難與来自周圍扁平的氣體和塵埃雲（吸積盤）的旋轉區分開的。

團隊成員、康涅狄格大學研究員喬納森·特朗普在聲明中說，“挑戰在於將黑洞的自旋从圍绕它的吸積盤的自旋分開，關鍵是要观察最裡面的區域，在那里氣體正在落入黑洞的事件地平线”。

“一個旋轉的黑洞拖着最裡面的物質冲浪，當我們查看我们測量中的細節時這導致一个可观测到的差異” 。

一个宇宙化石記錄

該團隊使用斯隆數字天空勘查的混響映射项目解決確定黑洞的自旋的挑战任務。該项目一直在做出數百個黑洞極其精確的質量測量，同時還對空无的吸積盤的結構進行詳細的觀察。

這些數據以光譜的形式或跨整個電磁波譜中發射的光而来。有了這個在手，科學家們能開始測量一个中心黑洞的旋轉速率。

在光波長中的細微變化揭示大量关于黑洞的旋轉。當物質落入黑洞時它還帶有它的角動量——這種旋轉揭示一个黑洞的過去飲食的細節。

弗裡斯說，“我叫這種方法為'黑洞考古學'，因為我們正在試圖了解一个黑洞的質量如何已经隨着時間增長，通過觀察黑洞的自旋，你基本上正在在觀察它的化石記錄” 。

在早期宇宙中一个超大質量黑洞的描画。 (Image credit: Robert Lea (created with Canva))

當科學家將觀察到的自旋速率比較到被預測的自旋速率時“化石記錄”能被解碼。

目前，最受歡迎的模型提示超大質量黑洞通過当它們的家鄉星系碰撞和合併時觸發的合併成長。因為這些單獨的星系有它们自己的旋轉速率和隨機定向，當它們合併時這些旋轉可能抵消。或者，至少，它們可以一起合併。就像可能的一样兩種結果應該是相同的。

鑒於此，科學家們預計黑洞應該非常緩慢的自旋。然而，這並不是這個團隊發現的。

一个在宇宙歷史上觀測到的黑洞自旋的图，從過去到現在從左到右。粗彩色點代表觀察到的黑洞自旋——藍色显示與吸積盤相同的方向中的旋轉，灰色表示很少或沒有旋轉，紅色显示相反方向的旋轉。綠色橢圓顯示从黑洞被平滑吸積預期的;粉紅色橢圓顯示从合併預期的。 (Image credit: Left: Logan Fries and the SDSS collaborationTop right: NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI)Bottom right: NASA/CXC/M.Weiss)

這項研究不僅揭示比預期許多黑洞正在更快的旋轉，而且還表明了更遙遠的星系中的黑洞旋轉甚至比本地宇宙中的黑洞更快。

這提示黑洞的自旋可能隨着時間逐漸的建造。可能發生的一種方法是通過黑洞的被它的逐漸吸積塵埃和氣體角動量積累。

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研究人員可以進一步測試這一想法，並使用来自詹姆斯韋伯太空望遠鏡的觀測驗證這些結果，該望遠鏡在它的三年的運行中，一直在尋找宇宙的更早和更早時期的超大質量黑洞。

斯隆數字天空勘查當前階段 SDSS-V 主任考尔美尔（Juna Kollmeier） 在聲明中說，“黑洞真的確實位於人類理解的前沿。我們進行像斯隆數字天空勘查這樣的大規模勘查来構建它们的基本属性的實證天體物理圖片，據此我們的理論模型能被測試” 。

弗裡斯於 1 月 14 日在马里兰国家港举行的 第245 次American Astronomical Society (AAS)會議上介紹了該團隊的發現