引力透镜发现最快自旋黑洞


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引力透镜发现最快自旋黑洞

通过引力透镜(gravitational lensing),来自每个类星体(quasars)的光的产生了多个它的图像。
Image credit: NASA/CXC/Univ. of Oklahoma/X. Dai et al.

就像海洋中的漩涡一样,宇宙中旋转的黑洞在它们周围形成一波“洪流”。不同的是,黑洞将产生的气体尘埃盘加热到数亿度而发出高能X射线。

利用NASA钱德拉X射线天文台(Chandra X-ray Observatory)的数据和一些星系的位置巧合,天文学家采用“引力透镜”来测量五个超大质量黑洞(supermassive black holes)的自旋(spin)。其中一个黑洞周围物质的旋转速度大于光速的70%左右。

引力透镜是一种自然现象。正如爱因斯坦所预测的那样,大质量物体(比如大星系)会使周围的时空弯曲,当它正好在我们与观测目标之间时,它强大的引力会弯曲来自目标的光,从而放大并产生多个目标的图像。

在这项新研究中,天文学家使用钱德拉和引力透镜来研究六个类星体,每个类星体都有一个超大质量黑洞在快速“吞噬”周围吸积盘(accretion disk)中的物质。通过这些“介入”的透镜星系,来自每个类星体的光都通过引力透镜产生了多个图像。多亏了钱德拉卓越的成像能力,这些透镜图像得以分离。

研究人员在这项研究中取得的关键进展是他们利用了“微透镜(microlensing)”:透镜星系中的各个恒星提供了额外的放大效果。更高的放大率意味着产生X射线的区域实际上更小。

比起不旋转的黑洞,旋转的黑洞在其周围拖动空间,使物质绕黑洞的轨道更小。利用这个特性,作者从他们的微透镜分析中得出结论:紧密的轨道对应较小的X射线发射区域,这些黑洞自转更快。

结果显示,有一个被称为“爱因斯坦十字(Einstein Cross)”的类星体,其中的黑洞正以可能的最大速率旋转。这个极限对应的事件视界(event horizon),即黑洞的“不归点”,以光速旋转,大约每小时十的十二次方米。观测目标中的另外四个黑洞平均转速大约是最大速率的一半,最后一个目标没有转速估计。

“爱因斯坦十字”的X射线来自吸积盘的一部分,面积不到事件视界的2.5倍。而对于其他四个类星体,X射线来自事件视界四到五倍大小的区域。

这些黑洞为什么转的这么快呢?研究人员认为,数十亿年来,这些超大质量黑洞很可能是从旋转方向相似的吸积盘上积累物质,而不是随机方向。就像推旋转木马一样,黑洞在吸积物质的过程中不断加快速度。

钱德拉检测到的X射线产生于吸积盘上数百万度的日冕(corona),这些X射线在吸积盘的内边缘反射,黑洞附近的强重力使反射的X射线光谱(X-ray spectrum,即不同能量X射线的分布)变形。在这项研究中,X射线光谱中看到的大量扭曲意味着盘内边缘必须靠近黑洞,这进一步证明它们必须快速旋转。

所观测的类星体距地球约88亿至109亿光年,黑洞的质量有太阳的1.6亿到5亿倍。这次结果是钱德拉用引力透镜对类星体进行过的最长观测,总曝光时间在1.7到5.4天之间。研究成果发表于7月2日的《天体物理学杂志》上,可在线获取。

有关更多钱德拉的图像、多媒体和相关材料,
请访问:http://www.nasa.gov/chandra

参考:
https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/x-rays-spot-spinning-black-holes-across-cosmic-sea.html

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