科學家發現黑洞旋轉速度超乎預期：猶如窺探其「化石紀錄」

一種全新的黑洞「考古學」方法，將黑洞的旋轉與其吞噬的氣體和塵埃聯絡起來，揭示了這些宇宙巨獸的旋轉速度比預期更快。科學家們發現，一些超大質量黑洞的旋轉速度遠遠超過了預期。這一發現源於一種新型的「黑洞考古學」，它把黑洞的旋轉與過去70億年宇宙歷史中，黑洞為了成長而吞噬的氣體和塵埃聯絡起來。

由斯隆數位巡天（SDSS）得出的研究結果暗示了幾件事。其一，早期宇宙可能比先前認為的更加有序。其二，超大質量黑洞透過星系碰撞合併引發的逐漸增大的黑洞合併鏈而增長的過程，可能還伴隨著黑洞對周圍氣體和塵埃的瘋狂吞噬。

康涅狄格大學的團隊成員洛根·弗里斯（Logan Fries）在一份宣告中表示：「我們研究了從現在追溯到70億年前，星系中心的巨型黑洞。出乎意料的是，我們發現它們的旋轉速度太快，不可能僅僅是由星系合併形成的。它們在很大程度上一定是由物質落入而形成的，這些物質平穩地增加了黑洞的質量，並加快了它的旋轉速度。」

儘管超大質量黑洞是能夠塑造整個星系的宇宙怪物，其質量是太陽的數百萬甚至數十億倍（以及它們相對較小的恆星質量黑洞），但總體而言它們相當簡單。它們可以由三個特徵來定義：質量、旋轉速度，以及不太重要的電荷。正如物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）俏皮地解釋這種缺乏明顯特徵的情況時所說：「黑洞沒有毛髮。」

弗里斯解釋道：「黑洞看起來如此奇特，但你只需用兩個數字就能完全描述它們：質量和旋轉速率。問題是，質量很難測量，而旋轉速度更難測量。」

黑洞的旋轉速度很難與其周圍扁平的氣體和塵埃雲（吸積盤）的旋轉速度區分開來。團隊成員、康涅狄格大學的研究人員喬納森·特朗普（Jonathan Trump）在宣告中說：「挑戰在於將黑洞的旋轉與其周圍吸積盤的旋轉分開。關鍵是觀察最內部區域，在那裡氣體正落入黑洞的事件視界。一個旋轉的黑洞會帶動最內部的物質一起旋轉，當我們仔細觀察測量細節時，就會發現可觀測到的差異。」

該團隊利用斯隆數位巡天的迴響對映專案，解決了確定黑洞旋轉速度這一具有挑戰性的任務。該專案已經對數百個黑洞進行了極其精確的質量測量，同時還對黑洞吸積盤的結構進行了詳細觀測。這些資料以光譜的形式呈現，即跨越電磁波譜發出的光。有了這些資料，科學家們就可以開始測量中心黑洞的旋轉速率。

光的波長的微妙變化揭示了大量有關黑洞旋轉的資訊。當物質落入黑洞時，它也帶來了角動量——這種旋轉揭示了黑洞過去「飲食」的細節。弗里斯說：「我把這種方法稱為『黑洞考古學』，因為我們試圖瞭解黑洞的質量是如何隨時間增長的。透過觀察黑洞的旋轉，你實質上是在窺探它的化石紀錄。」

當科學家們將觀測到的旋轉速率與預測值進行比較時，就可以解讀這一「化石紀錄」。目前，主流模型認為超大質量黑洞是透過其所在星系碰撞合併引發的合併過程而增長的。由於這些單個星系有自己的旋轉速率和隨機的方向，當它們合併時，這些旋轉可能會相互抵消，或者至少會相互結合，這兩種結果的可能性應該是相等的。鑑於此，科學家們預計黑洞的旋轉速度應該非常緩慢。然而，該團隊的發現並非如此。

這項研究不僅揭示了許多黑洞的旋轉速度比預期更快，還表明更遙遠星系中的黑洞比本地宇宙中的黑洞旋轉得更快。這表明黑洞的旋轉速度可能會隨著時間逐漸增加。一種可能的方式是，黑洞透過逐漸吸積塵埃和氣體來積累角動量。

研究人員可以利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測結果進一步驗證這一想法和這些結果。該望遠鏡在執行的三年裡，已經發現了來自宇宙早期的超大質量黑洞。斯隆數位巡天第五階段（SDSS - V）的主任朱娜·科爾邁爾（Juna Kollmeier）在宣告中說：「黑洞確實處於人類理解的前沿。我們進行像斯隆數位巡天這樣的大規模調查，是為了建立一個關於黑洞基本特性的經驗性天體物理圖景，以此來驗證我們的理論模型。」

弗里斯於1月14日在馬裡蘭州國家港舉行的美國天文學會（AAS）第245次會議上介紹了該團隊的研究結果。本文最初釋出於Space.com。