利用摆动恒星物质测量超大质量黑洞自旋速度

作者: Takeko

来源: https://news.mit.edu/2024/using-wobbling-stellar-material-astronomers-measure-supermassive-black-hole-spin-0522

发布日期: 2024-05-28 20:31:25

天文学家利用黑洞吞噬恒星后产生的摆动,首次通过吸积盘的摆动推算出超大质量黑洞自旋的速度,结果显示其自旋速度不足光速的25%。这一发现为未来测量近域宇宙中数百个黑洞的自旋情况提供了新方法。

黑洞是种令人着迷的天体。每个黑洞都有自旋,这种自旋和它们自身的“成长故事”有关。举个例子,如果一个黑洞主要通过吸积而成长,就会导致黑洞以相当高的速度自转。相反,如果一个黑洞主要是通过与其他黑洞并合而增长,每次并合可能都会让自旋速度放缓,因为一个黑洞的自旋会与另一个的相抵。换句话说,黑洞的自旋也能反映出它自身的历史。

理论上来说,当黑洞这样的引力巨兽自旋时,它们极强的引力场会拖拽周围的时空,这种拖拽效应也被称为伦塞-西凌进动。但通常情况下,就观测的角度而言,这种效应在黑洞周围并不明显,因为这些大质量天体并不会发光。测量自旋的难度不言而喻。

现在,天文学家找到了一种新方法,利用黑洞吞噬恒星后产生的摆动来测量黑洞自旋的速度。通过几个月的追踪,研究团队确定了一个来自明亮炽热的吸积盘的信号,通过这个盘的摆动首次推算出了一个超大质量黑洞自旋的速度。他们的答案是不足光速的25%——对于一个黑洞而言,这显得“慢悠悠”的。研究已于近日发表在《自然》上。

这种新方法利用了黑洞的潮汐瓦解事件。

具体来说,当恒星受到黑洞巨大的潮汐力扰动时,恒星的一部分会被吹走,另一部分则会被甩到黑洞周围,产生一个由被撕碎的恒星物质组成的旋转的炽热吸积盘。一个超大质量黑洞在撕裂一颗恒星后,拖曳了恒星周围的时空。这个盘可能与黑洞自旋产生角度的错位。可以把吸积盘想象成一个倾斜的甜甜圈,围绕着一个独立自旋的甜甜圈洞旋转。当吸积盘遇到黑洞自旋时,会随着黑洞的牵引而摆动。最终,当盘稳定在黑洞自旋中时,摆动就会减弱。

落在黑洞上的物质流会产宇宙中最耀眼的事件。科学家认为,这样的事件或许创造了机会,让他们能通过追踪恒星碎屑被拖动时发出的光,进而推算出黑洞自旋的特征。但问题的关键是要进行正确合适的观测。也就是说,一旦TDE发生,就要用望远镜对这个天体进行长时间的连续观测,捕捉到从几分钟到几个月的各种时间尺度的数据。

在过去的五年里,研究团队一直在寻找足够亮、足够近的TDE。2020年2月,他们从茨威基暂现源设施的光学波段里幸运地探测到了AT2020ocn。这是一个来自约10亿光年外的星系的明亮闪光。从光学数据上来看,这道闪光似乎是紧随TDE发生后的时刻。它非常明亮,又相对较近,很可能是寻找摆动迹象的理想事件。但想要进一步研究,还需要更多数据。

团队随后发现,国际空间站上的一台名为NICER的X射线望远镜能捕捉到此次TDE,并在几个月的时间里一直关注它。由于摆动仅仅发生在事件最初时刻,他们详细研究了在最初探测到TDE之后200多天里对AT2020ocn的观测数据。结果显示,这次事件发出的X射线似乎每隔15天就会出现一个峰值,持续了好几个周期,最终逐渐消失。他们将这些峰值理解为TDE吸积盘摆动到正面的时刻。

此时,它能直接向NICER望远镜发射X射线。接着便继续摆动,偏移开来。

借助伦塞-西凌理论,根据对黑洞和恒星质量的估计,他们得出了这个黑洞自旋速度的估计值,也就是不到光速的25%。这项结果也标志着科学家首次利用潮汐瓦解事件的相关观测估算出了黑洞自旋速度。研究人员表示,在未来几年里,随着鲁宾天文台等诸多新型望远镜陆续投入使用后,这种新方法可以用来测量近域宇宙中数百个黑洞的自旋情况。

黑洞身上还存在着许多谜团。如果科学家能够测量大量黑洞的自旋,就能开始了解这些引力巨兽是如何在宇宙历史中演化的。他们可以估算出黑洞自旋的整体分布情况,并了解黑洞自旋如何随时间演化的问题。

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