引力透鏡發現最快自旋黑洞

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通過引力透鏡（gravitational lensing），來自每個類星體（quasars）的光的產生了多個它的圖像。

Image credit: NASA/CXC/Univ. of Oklahoma/X. Dai et al.

就像海洋中的漩渦一樣，宇宙中旋轉的黑洞在它們周圍形成一波“洪流”。不同的是，黑洞將產生的氣體塵埃盤加熱到數億度而發出高能X射線。

利用NASA錢德拉X射線天文台（Chandra X-ray Observatory）的數據和一些星系的位置巧合，天文學家採用“引力透鏡”來測量五個超大質量黑洞（supermassive black holes）的自旋（spin）。其中一個黑洞周圍物質的旋轉速度大於光速的70％左右。

引力透鏡是一種自然現象。正如愛因斯坦所預測的那樣，大質量物體（比如大星系）會使周圍的時空彎曲，當它正好在我們與觀測目標之間時，它強大的引力會彎曲來自目標的光，從而放大並產生多個目標的圖像。

在這項新研究中，天文學家使用錢德拉和引力透鏡來研究六個類星體，每個類星體都有一個超大質量黑洞在快速“吞噬”周圍吸積盤（accretion disk）中的物質。通過這些“介入”的透鏡星系，來自每個類星體的光都通過引力透鏡產生了多個圖像。多虧了錢德拉卓越的成像能力，這些透鏡圖像得以分離。

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（microlensing）”：透鏡星系中的各個恆星提供了額外的放大效果。更高的放大率意味著產生X射線的區域實際上更小。

比起不旋轉的黑洞，旋轉的黑洞在其周圍拖動空間，使物質繞黑洞的軌道更小。利用這個特性，作者從他們的微透鏡分析中得出結論：緊密的軌道對應較小的X射線發射區域，這些黑洞自轉更快。

結果顯示，有一個被稱為“愛因斯坦十字（Einstein Cross）”的類星體，其中的黑洞正以可能的最大速率旋轉。這個極限對應的事件視界（event horizon），即黑洞的“不歸點”，以光速旋轉，大約每小時十的十二次方米。觀測目標中的另外四個黑洞平均轉速大約是最大速率的一半，最後一個目標沒有轉速估計。

“愛因斯坦十字”的X射線來自吸積盤的一部分，面積不到事件視界的2.5倍。而對於其他四個類星體，X射線來自事件視界四到五倍大小的區域。

這些黑洞為什麽轉的這麽快呢？研究人員認為，數十億年來，這些超大質量黑洞很可能是從旋轉方向相似的吸積盤上積累物質，而不是隨機方向。就像推旋轉木馬一樣，黑洞在吸積物質的過程中不斷加快速度。

錢德拉檢測到的X射線產生於吸積盤上數百萬度的日冕（corona），這些X射線在吸積盤的內邊緣反射，黑洞附近的強重力使反射的X射線光譜（X-ray spectrum，即不同能量X射線的分布）變形。在這項研究中，X射線光譜中看到的大量扭曲意味著盤內邊緣必須靠近黑洞，這進一步證明它們必須快速旋轉。

所觀測的類星體距地球約88億至109億光年，黑洞的質量有太陽的1.6億到5億倍。這次結果是錢德拉用引力透鏡對類星體進行過的最長觀測，總曝光時間在1.7到5.4天之間。研究成果發表於7月2日的《天體物理學雜誌》上，可在線獲取。

有關更多錢德拉的圖像、多媒體和相關材料，

參考

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

來源：NASA愛好者