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分析神秘周期性 X 射线,科学家测出黑洞转速高达光速一半

2024-11-24 210

透过观察恒星被黑洞撕裂时释出的神秘周期性 X 射线,麻省理工学院一组团队终于计算出黑洞的旋转速度:高达光速 50%。

麻省理工学院天体物理学与太空研究所 Dheeraj Pasham 表示,只要知道黑洞最基本的两个属性:质量与旋转,你就能摸清一个黑洞。要测量黑洞的质量相对简单,天文学家只要确定围绕黑洞运转的恒星之速度就可得知,黑洞质量越大,恒星移动速度越快;然而,测量黑洞旋转的方式比较复杂,因为旋转仅影响非常接近黑洞事件视界的时空。

不过根据潮汐力崩解(tidal disruption)理论,如果有颗恒星在最靠近黑洞的最内层稳定圆形轨道(ISCO,Innermost Stable Circular Orbit)上运行,那么在恒星完全被黑洞吞噬前,应该会规律释出 X 射线,这规律性取决于 ISCO 轨道大小,而 ISCO 轨道的尺寸又取决于黑洞的旋转速度。

换句话说,只要我们试着从黑洞潮汐力崩解事件(tidal disruption event,TDE)中找到一道规律的 X 射线,就有机会测出黑洞的转速。

为了知道黑洞旋转性质,麻省理工学院团队将目标放在全天自动超新星搜索计划(All Sky Automated Survey for SuperNovae,ASASSN)于 2014 年 11 月 22 日发现的 ASASSN-14li 潮汐力崩解事件,当时天文学家证明这并非超新星,而是某颗恒星被一个质量较太阳大 300 万倍的超大质量黑洞撕碎的最后呐喊。

▲ ASASSN-14li 潮汐力崩解事件想像图。(Source:NASA)

在 ASASSN 之后,3 个 X 射线卫星:钱卓拉 X 射线天文卫星、XMM-牛顿卫星、尼尔·格雷尔斯雨燕天文卫星(Neil Gehrels Swift Observatory)迅速跟进检测,在 450 天观测期内,Dheeraj Pasham 团队便从这批数据发现一个额外、强烈、神秘的周期性 X 射线讯号,来自黑洞事件视界附近,每隔 131 秒就坚持不懈的变亮、褪色。

团队认为,实际上这个规律的 X 射线讯号就是由另一颗位于 ISCO 轨道的白矮星所引起,而不是来自那颗被黑洞吞噬的恒星。该白矮星轨道与黑洞的距离刚好不至于被黑洞潮汐力粉碎,但仍有些小碎屑被持续剥离,有如拖曳著一条发光的大衣,当它周期性绕过黑洞时,就是科学家看见的规律变亮、变暗的 X 射线。

将白矮星的公转速度与黑洞的质量相结合,使研究人员得以确认黑洞的旋转速度,根据计算,黑洞的旋转速度将近光速一半。当然,从时间长河来看,这段规律的 X 射线爆发相当罕见,只会持续数百年,ISCO 轨道恒星终究会成为黑洞的养分。

团队很幸运可以从数据中发现这个特殊系统,Dheeraj Pasham 期许接下来 10 年内能发现更多类似事件。新论文发表在《科学》期刊。

  • X-ray pulse detected near event horizon as black hole devours star
  • A Star Fell Into a Black Hole, Revealing Its Super-Fast Spin
  • Dying star sheds light on spin of supermassive black hole
  • Astronomers Clock a Black Hole Spinning at Half the Speed of Light
  • Astronomers Use Annihilated Star to Clock Black Hole’s Spin

(首图来源:麻省理工学院)

延伸阅读:

  • 宇宙僵尸出没,研究:中等黑洞会“短暂”重燃一颗死星
2019-03-11 01:31:00

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