新的攪動時空研究揭示了黑洞的自轉速度 _黑洞

黑洞可以撕裂恒星，這種現象被稱為潮汐破壞事件。（圖片來源：ESA）
據美國生活科學網站（Robert Lea）：一顆恒星在超大質量黑洞的口中可怕地死亡，其“搖晃”的殘骸有助于揭示其宇宙捕食者的旋轉速度。
超大質量黑洞被認為是通過較小黑洞的連續合并而誕生的，每一個合并都會帶來角動量，加速它們誕生的黑洞的旋轉。因此，測量超大質量黑洞的自轉可以深入了解它們的歷史，而新的研究提供了一種新的方法，可以根據自轉黑洞對空間和時間結構的影響進行推斷。
在一次所謂的潮汐破壞事件（TDE）中，這顆處于這項研究核心的注定要失敗的恒星被一個超大質量黑洞以殘酷的方式撕裂。當一顆恒星過于靠近黑洞的巨大引力影響時，這些事件就開始了。一旦足夠近，恒星內部就會產生巨大的潮汐力，在水平方向擠壓恒星，同時垂直方向拉伸恒星。這被稱為“spaghettification”，它將恒星變成一股恒星意大利面——但至關重要的是，并不是所有的意大利面都被破壞性的黑洞吞噬了。
其中一些物質被吹走，而另一些物質包裹在黑洞周圍，形成一個被稱為吸積盤的扁平云。這個吸積盤不僅逐漸為中心黑洞提供能量，而且最初撕裂恒星的潮汐力也會產生巨大的摩擦力，加熱這個氣體和塵埃盤，使其發出明亮的光芒。
此外，當超大質量黑洞旋轉時，它們會拖動時空結構（時空的4維統一體）。這種所謂的“Lense Thirring”或“幀拖動”效應意味著在旋轉的超大質量黑洞邊緣沒有任何東西靜止不動。這種效應還導致新形成的黑洞吸積盤出現短暫的“擺動” 。
現在，一組研究人員發現，吸積盤的“擺動”可以用來確定中心黑洞的旋轉速度。
麻省理工學院（MIT）的科學家、團隊負責人Dheeraj“DJ”Pasham告訴Space.com：“幀拖動是所有旋轉黑洞周圍都存在的一種影響。因此，如果正在旋轉的黑洞正在旋轉，那么恒星碎片在TDE后流到黑洞上就會受到這種影響。”
神圣的熱X射線明星意大利面！
為了研究TDE和幀拖動，該團隊花了五年時間尋找可以快速跟進的明亮且相對接近的黑洞引起的恒星謀殺的例子。目標是發現由Lense Thirring效應引起的吸積盤進動的跡象。
2020年2月，這一探索取得了成果。該團隊成功探測到了AT2020ocn ，這是一種來自大約億光年外星系的明亮閃光。AT2020ocn最初是由Zwicky瞬態設施在光學波長中發現的，這些可見光數據表明，發射源于一個TDE，該TDE涉及一個質量在太陽100萬至1000萬倍之間的超大質量黑洞。
Pasham說：“由于Lense Thirring效應，來自新形成的熱吸積盤的X射線發射會前進或‘擺動’ 。這表現為數據中的X射線調制。” 。“然而，過一段時間，當吸積功率下降時，重力迫使圓盤與黑洞對齊，之后擺動和X射線調制停止。”
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Pasham和他的同事懷疑，發射AT2020ocn的TDE可能是尋找Lense Thirring歲差的理想事件，因為這種類型的擺動只在吸積盤形成后早期出現，他們必須迅速采取行動。
帕薩姆說：“關鍵是要有正確的觀察結果。” 。“唯一能做到這一點的方法是，一旦潮汐破壞事件發生，你需要用望遠鏡在很長一段時間內連續觀察這個物體，這樣你就可以探測從幾分鐘到幾個月的各種時間尺度。”

一幅插圖顯示了一個旋轉的超大質量黑洞，它被一顆死恒星的碎片包圍，并拖著時空（綠色網格）。（圖片來源：Robert Lea（與Canva共同創作））
這就是美國國家航空航天局的中子星內部成分探測器（NICER）的用武之地：這是一臺位于國際空間站（ISS）的X射線望遠鏡，用于測量黑洞和其他超密度、致密大質量物體（如中子星）周圍的X射線輻射。研究小組發現，NICER不僅能夠捕捉到TDE，而且安裝在國際空間站的X射線望遠鏡也能夠在幾個月的時間里持續監測這一事件。
帕薩姆說：“我們發現，TDE后發射X射線的區域的X射線亮度和溫度在15天的時間尺度上發生調制。” 。“這種反復出現的15天X光信號在三個月后消失了。”
研究小組的發現也讓人大吃一驚。
對黑洞質量和被破壞恒星質量的估計表明，黑洞的自轉速度沒有預期的那么快。帕薩姆說：“令人驚訝的是，黑洞的自轉速度沒有那么快——只有不到光速的25% 。” 。
帕薩姆認為，由于即將在智利北部建造的維拉·C·魯賓天文臺，該天文臺將進行一項名為“空間和時間遺產調查”（LSST）的為期10年的宇宙調查，TDE狩獵的未來是光明的。
帕薩姆總結道：“預計魯賓將在未來十年內探測到數千個TDE 。如果我們能夠測量其中哪怕是一小部分的Lense Thirring歲差，我們將能夠了解超大質量黑洞的自旋分布，以及它們在宇宙年齡段的演化過程。” 。“我們的團隊有幾個觀察建議，以跟進未來的TDE 。我們肯定會調查其他TDE黑洞周圍的幀拖動！”
該團隊的研究于周三（5月22日）發表在《自然》雜志上。