翘速前进：天文学家解释银河系中心黑洞弯曲时空的方式

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

天文学家称这个巨大的黑洞为人马座 A*（简称 Sgr A*），它距离地球约 26000 光年，位于银河系的中心。

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。

自旋测量技术

一个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--即每秒的旋转圈数--约为最大可能值的60%，而这是由于物质的运动速度无法超过光速而设定的极限。

过去，不同的天文学家使用不同的技术对Sgr A*的旋转速度进行了其他一些估计，结果从Sgr A*完全不旋转到几乎以最大速度旋转不等。

新研究的第一作者、宾夕法尼亚州立大学的露丝-戴利（Ruth Daly）说："我们的工作可能有助于解决银河系超大质量黑洞的旋转速度问题。结果表明，Sgr A* 的旋转速度非常快，这很有趣，而且影响深远。"

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.

快速旋转的影响

旋转的黑洞在旋转时会拉动"时空"（时间和三维空间的组合）和附近的物质。旋转黑洞周围的时空也会被压扁。从顶部俯视黑洞，沿着黑洞产生的任何喷流桶，时空都是一个圆形。然而，从侧面看旋转的黑洞，时空的形状就像一个足球。旋转速度越快，足球就越扁平。

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其自旋能量时会产生准直外流，即狭窄的物质束，如喷流，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，如果斯格拉A*附近的物质数量增加，这种情况可能会改变。

人马座 A* 的未来

"旋转的黑洞就像发射台上的火箭，"来自加拿大温尼伯马尼托巴大学的合著者宾尼-塞巴斯蒂安说。"一旦物质足够接近，就好像有人给火箭加满了燃料，然后按下了'发射'按钮"。

这意味着，将来如果黑洞附近物质的性质和磁场强度发生变化，黑洞自旋的巨大能量的一部分可能会驱动更强大的外流。这种源物质可能来自气体，也可能来自被黑洞引力撕裂的恒星残骸，如果该恒星游荡得离斯格拉A*太近的话。

来自密歇根州立大学的合著者梅根-多纳休（Megan Donahue）说："一个星系旋转的中心黑洞所产生的喷流会深刻影响整个星系的气体供应，从而影响恒星形成的速度，甚至影响恒星是否能够形成。在银河系黑洞周围的X射线和伽马射线中看到的'费米气泡'表明，黑洞在过去可能是活跃的。测量我们黑洞的自旋是对这种情况的重要检验。"

为了确定 Sgr A* 的自旋，作者使用了一种基于经验的理论方法，即"外流法"，该方法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。

合著者之一、加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的 Anan Lu 说："我们对 Sgr A* 有特殊的看法，因为它是离我们最近的超大质量黑洞。虽然它现在很安静，但我们的工作表明，未来它将对周围的物质产生无比强大的冲击力。这可能发生在一千年或一百万年后，也可能发生在我们有生之年。"

银河系中心的超大质量黑洞正在飞速旋转，以至于它把周围的时空扭曲成一个看起来像美式足球的形状。这一结果是利用美国宇航局钱德拉 X 射线天文台（太空中的 X 射线望远镜）和美国国家科学基金会甚大阵列（位于新墨西哥州的射电望远镜阵列）的数据得出的。资料来源：NASA/CXC/A.霍巴特

描述这些结果的论文由露丝-戴利（Ruth Daly）领衔撰写，发表在 2024 年 1 月出版的《英国皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。

编译来源：ScitechDaily