银心黑洞自转速度已近极限。
视界望远镜拍摄的银心黑洞照片。EHT Collaboration
我们银河系中心的超大质量黑洞是一个在旋转的黑洞。不仅如此,一些科学家最近还发现,这个黑洞的旋转速度几乎已经达到了理论的最高值。
这些科学家在《英国皇家天文学会月刊》上刊文称,他们使用钱德拉X射线太空望远镜,观测了银心黑洞周边外流物质产生的X射线和射电波,并通过进一步计算,得到了黑洞的转速。
理论上黑洞的最大转速可与光速相比。而假设同一级别的黑洞最高转速为1,那么“人马座A*”,也就是银心黑洞的转速已经达到了0.84至0.96。
黑洞的自转和一般天体不同。行星、恒星等天体是有实质表面的,而黑洞本质上只是一个被非实质表面,也就是所谓的视界包裹起来的时空区域。这个边界以内的所有光都无法逃离。
行星和恒星的自转特点取决于质量的分布,而黑洞的自转只能用它的角动量来描述。由于黑洞附近存在极端引力,黑洞的自转会导致时空高度扭曲,形成所谓的“能层(ergosphere)”。黑洞的自转能够拖曳能层中的一切,产生“参考系拖曳”现象。科学家若想了解黑洞附近时空的行为特点,就必须了解黑洞的自转。参考系拖曳同时也会在黑洞附近产生奇异的视觉效果。
从旋转的黑洞附近经过的光会被旋转的时空扭曲,产生所谓的引力透镜现象。而参考系拖曳会在黑洞周围形成一个光环,以及黑洞之影。这些都是光受黑洞引力影响的表现。
而黑洞自转速度的理论上限,是由黑洞攫取物质以及黑洞的成长方式决定的。物质堕入黑洞会使黑洞自转加速,但黑洞能够拥有多少角动量是有限制的。另一个因素是质量。黑洞质量越大,引力就越强,但自转速度的增加就越困难。
此外,黑洞与周边环境,比如吸积盘的互相影响,也会传递角动量,影响黑洞的自转。这可能就是为什么银心黑洞的质量只相当于450万个太阳,自转速度已高达0.84至0.96;而M87星系中心的黑洞质量相当于75亿个太阳,且在疯狂进食,其自转速度却只有0.89至0.91的原因。
了解银心黑洞拥有如此之高的转速,对于科学家理解黑洞的形成和演化有重要意义。
参考
New black hole spin values for Sagittarius A* obtained with the outflow method
https://academic.oup.com/mnras/article/527/1/428/7326786