望遠鏡揭示了銀河系黑洞扭曲時空的快速旋轉

這位藝術家的插圖展示了我們銀河系中心的超大品質黑洞和周圍物質的橫截面。中間的黑色球體代表了黑洞的事件視界，這是一個不歸路，任何東西，甚至光，都無法逃脫。從側面看旋轉的黑洞，如圖所示，周圍的時空形狀像一個美式足球。兩側的橙黃色物質代表在黑洞周圍旋轉的瓦斯。這種物質不可避免地會墜入黑洞，一旦落入足球形狀，就會穿過事件視界。因此，足球形狀內但事件視界外的區域被描繪成一個空腔。藍色斑點顯示噴射式飛機從旋轉的黑洞的兩極發射。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

在這位藝術家的插圖中，我們的銀河系中心展現出一個超大品質黑洞的新研究結果。這個黑洞被稱為人馬座A*，其旋轉速度之快，足以扭曲周圍的時空，仿佛將三維空間捏成了一個足球的形狀。這一發現是由美國國家航空暨太空總署的錢德拉X射線天文台和NSF的Karl G. Jansky超大陣列（VLA）共同揭示的。

一組研究人員創新地利用X射線和無線電數據，根據物質流向和流出黑洞的方式，精準地測定了Sgr A*的旋轉速度。令人震驚的是，他們發現Sgr A*的角速度達到了最大可能值的60%，而角動量則接近最大可能值的90%。

黑洞擁有兩個決定性的特性：其品質與自旋速度。確定這兩者中的任何一個，都能為科學家揭示黑洞及其行為的諸多秘密。過往的天文學研究曾采用不同方法對Sgr A*的自旋速度進行過多次估算，結果從Sgr A*完全不旋轉到幾乎達到最大自旋速度不一而足。而這項新研究為我們揭示了，Sgr A*的旋轉速度之快超乎想象，導致其周圍的時空被強烈扭曲。

插圖展示了Sgr A*的橫截面以及圍繞其旋轉的物質盤。圖中那顆黑色球體，便是黑洞的「事件視界」，一個吞噬一切的深淵，連光也無法逃離。當我們從側面觀察這顆旋轉的黑洞，會發現周圍的時空呈現出如足球一般的形狀。而自旋越快，這顆「足球」就越顯得扁平。兩側黃橙色的物質，則代表了在Sgr A*周圍旋轉的瓦斯。這些瓦斯無可避免地會被吸入黑洞，一旦落入這足球形的時空之中，便將穿越事件視界。因此，足球形內部、但事件視界之外的區域被描繪成了一個空洞。而那些藍色的斑點，則顯示出從旋轉黑洞兩極噴薄而出的噴流。從頂部俯瞰這顆黑洞，沿著噴流的軌跡，時空呈現出一個完美的圓形。

黑洞的自旋可以作為重要的能量來源。旋轉的超大品質黑洞在提取自旋能量時會產生準直流出流，例如射流，這要求黑洞附近至少有一些物質。由於Sgr A*周圍的燃料有限，這個黑洞在近幾千年中一直相對安靜，噴流相對較弱。然而，這項工作表明，如果Sgr A*附近的材料數量增加，這種情況可能會改變。

為了確定Sgr A*的自旋，作者使用了一種基於經驗的技術，稱為「流出法」，該技術詳細說明了黑洞的自旋與其品質之間的關系，黑洞附近物質的性質以及流出的性質。準直流出產生無線電波，而黑洞周圍的瓦斯槽負責X射線發射。使用這種方法，研究人員將來自錢德拉和VLA的數據與其他望遠鏡對黑洞品質的獨立估計相結合，以限制黑洞的自旋。

由Ruth Daly（賓夕法尼亞州立大學）領導的描述這些結果的論文發表在2024年1月的 【皇家天文學會月刊 】上。

參考資料：「用流出法獲得的人馬座A*的新黑洞自旋值」，作者：Ruth A Daly、Megan Donahue、Christopher P O'Dea、Biny Sebastian、Daryl Haggard和Anan Lu，2023年10月21日，【 皇家天文學會月刊 】。
DOI： 10.1093/mnras/stad3228

其他作者是Biny Sebastian（加拿大曼尼托巴大學）、Megan Donahue（密西根州立大學）、Christopher O'Dea（曼尼托巴大學）、Daryl Haggard（麥吉爾大學）和Anan Lu（麥吉爾大學）。

美國國家航空暨太空總署的馬歇爾太空飛行中心負責管理錢德拉計劃。史密森尼天體物理天文台的錢德拉 X 射線中心控制著麻薩諸塞州劍橋市的科學營運和麻薩諸塞州伯靈頓市的飛行營運。