物質超70%光速!旋轉黑洞會在周圍產生,漩渦般的激流

就像海洋中的漩渦一樣,太空中旋轉的黑洞會在周圍產生漩渦般的激流。然而,黑洞不會產生風或水的漩渦。相反,黑洞會產生由氣體和塵埃組成的圓盤,加熱到幾億度,在x射線下發光。利用美國宇航局錢德拉x射線天文臺數據和跨越數十億光年的偶然對準,天文學家已經部署了一項新技術來測量五個超大質量黑洞的自旋。其中一個宇宙漩渦中的物質,正以超過光速70%的速度繞著黑洞旋轉,天文學家利用了一種叫做引力透鏡的自然現象。

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只要對準正確的方向,一個大的物體,比如一個大星系,所產生的時空彎曲,就能像愛因斯坦所預言的那樣,放大併產生一個遙遠物體的圖像。在這項最新研究中,天文學家利用錢德拉和引力透鏡研究了6顆類星體,每顆類星體都由一個特大質量黑洞組成,該黑洞迅速吞噬了周圍吸積盤中的物質。這些類星體的光,通過一個星系的引力透鏡作用產生了多個類星體的圖像。如錢德拉望遠鏡中四個目標的圖像所示:

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錢德拉的清晰成像能力是分離每個類星體的多個透鏡圖像所必需的。研究人員在這項研究中取得的關鍵進展是,他們利用了“微透鏡”,即在中間的透鏡星系中,單個恆星為類星體發出的光提供了額外放大。

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放大倍數越高,意味著產生x射線輻射的區域越小。然後,研究人員利用了旋轉黑洞拖拽空間的特性,使得物質比非旋轉黑洞更接近黑洞的軌道。因此,與緊密軌道相對應的較小發射區域通常意味著更快旋轉的黑洞。

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研究人員從微透鏡分析中得出結論,x射線來自如此小的區域,以至於黑洞一定在快速旋轉。結果表明,在透鏡狀類星體中,有一個被稱為“愛因斯坦十字”的黑洞正在以或幾乎以最大可能的速度旋轉。這相當於視界,黑洞的不返回點,以光速旋轉,大約6.7億英里每小時。樣本中的其他四個黑洞旋轉速度平均只有最大速度的一半左右。對於愛因斯坦交叉星系,x射線發射來自於小於視界2。5倍大小的圓盤,而對於其他4個類星體,x射線來自於視界4到5倍大小的區域。

這些黑洞怎麼能轉得這麼快?

研究人員認為,這些超大質量黑洞可能是在數十億年的時間裡,從一個旋轉方向和自旋方向相似的吸積盤中積累了大部分物質而成長起來,而不是從隨機方向。就像旋轉木馬不斷被推向同一個方向,黑洞不斷加速。錢德拉探測到的x射線是由黑洞周圍吸積盤,在黑洞附近的盤上方形成數百萬度的雲或日冕時產生。來自日冕的x射線反射到吸積盤內邊緣,黑洞附近強大的引力扭曲了反射的x射線光譜。

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也就是說,在不同能量下看到的x射線數量,在這裡研究的類星體x射線光譜中,所看到的巨大扭曲表明,盤的內邊緣一定是靠近黑洞的,這進一步證明了它們一定在快速旋轉。類星體距離地球88億光年到109億光年,黑洞質量是太陽的1.6億到5億倍。這些觀測是用錢德拉望遠鏡對引力透鏡類星體進行的最長觀測,總曝光時間在1.7天到5.4天之間。

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