最新观测证实 M87 黑洞在旋转,如何证明黑洞在转?

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如何判断一个黑洞有没有在旋转?这个看似简单的问题,如果你细想,你会发现它似乎没那么容易。

对于空间中一个“三维的洞”来说,通常的判断方法在这里都不再管用。想象一个绝对光滑且均匀的透明玻璃球,如果光凭肉眼看,你很难分辨出它是否在旋转。玻璃球尚且如此,连光都无法逃出的黑洞就更不用说了,可想而知要判断黑洞是否自转这事有多难。

虽然黑洞的存在在一定程度上早就被观测证实,但是所谓“眼见为实”,对于习惯了电磁波成像的我们来说,如果没有“照片”作为证据,始终觉得差点意思。于是 2017 年,通过世界各地多台射电望远镜组成的虚拟望远镜阵列 —— 事件视界望远镜(EHT),科学家终于给黑洞拍了张“证件照”。这张照片的主角就是距离我们 5500 万光年,拥有 66 亿倍太阳质量M87 中心黑洞。从此,黑洞的存在算是被彻底实锤。

根据理论推测,现实中的黑洞因为是由恒星坍缩形成的,所以它们应该像中子星、白矮星一样也会自转。包括 M87 这种星系中心的超大质量黑洞也是类似,它们应该都具有角动量。

不过黑洞自转这事吧只是理论推测,有什么证据能证明它在自转呢?

平时我们判断一个东西有没有在旋转,一般从它的外形或者表面的信息就能看出。但是黑洞的外形本就是个轴对称的球体,而且表面也没有任何可参照的信息(甚至压根就没有信息能够出来)。可想而知要判断黑洞是否在旋转,这事有多难。

你可能会说:看吸积盘呀,吸积盘绕着黑洞转,不就说明黑洞在带着它们转吗?

首先,吸积盘确实在一定程度上反应了黑洞的自转情况。因为根据理论模型,黑洞的旋转会影响吸积盘的内边界半径。比如黑洞旋转方向和吸积盘旋转方向相反,那么吸积盘内边界就离黑洞视界面远一些;反之,如果黑洞旋转方向和吸积盘旋转方向一致,那么吸积盘内边界就离黑洞近些。然后吸积盘的内边界在哪又会直接影响吸积盘的温度分布和辐射谱线,所以通过对吸积盘辐射谱线的观测,理论上就可以推测出黑洞的旋转情况。

但是这种方式存在一些问题,首先它对观测数据的质量和分辨率要求非常高,其次更重要的是,它依赖的吸积盘模型存在一些假设在里面,说白了就是理论还不是十分靠谱。所以包括其他借助吸积盘来测量黑洞自转的方式,目前都存在一定问题。

其实严格来说,通过吸积盘来证明黑洞是否旋转这件事本身就存在问题。你想啊,吸积盘中的物质虽然在绕着黑洞转,但这些物质一定要靠黑洞的牵引才能转吗?正如刚才所说,黑洞的旋转方向甚至可能和吸积盘相反。由此可见,吸积盘的旋转并非黑洞旋转导致的。

比如我们假设这个黑洞不是旋转黑洞,而是一个静态的经典黑洞。此时周围如果有个路过的天体,除非它是正对着黑洞飞过来,不然的话天体的运动轨道在黑洞的引力作用下一定会变成曲线。假如各方面因素再恰到好处的话,那么这个天体就很容易开始围绕黑洞转圈。

也就是说,物质绕黑洞转只能说明它有一个不指向黑洞的初速度,和黑洞本身转不转并没有直接关系。你可以把黑洞想象成台风的风眼,相对于周围吸积盘的狂风,风眼的黑洞则可以十分平静。所以呢,吸积盘的存在并不能证明黑洞在旋转。

那么有什么方法能验证黑洞的本体是否在旋转呢?

上个月(2023 年 9 月),一项由中国科学家领导的国际合作团队,通过对 M87 中心黑洞历时 22 年的观测数据分析,首次证实了 M87 黑洞确实是在旋转。他们是怎么做到的呢?

M87 星系是银河系附近最大的一个星系,它的核心是一个非常巨大的超大质量黑洞,质量可达 66 亿倍太阳质量。相比之下,我们银河系中心的黑洞(人马座 A*)只有区区 430 万倍太阳质量

除了个头巨大,相比安静的人马座 A*,M87 黑洞要活跃得多。没错,这个庞然大物目前仍在疯狂地进食中,为其提供食物的是一个以光年来计的巨型吸积盘。据估算,该吸积盘正以每天 90 个地球的速度将食物送入黑洞之口。

上次说过,这么大的饭量,黑洞势必会消化不良,从而会边吃边吐。果不其然,M87 黑洞的一个标志性特征,就是它那个长达 5000 光年的喷流。该喷流呈现出高度的准直性,犹如一束激光从吸积盘的两极射出。这次判断黑洞在旋转,就是通过对该喷流的摆动来断定的。

可是喷流不是也是来源于吸积盘吗,和黑洞本体有什么关系呢?这就牵扯到一个十分离奇的现象 —— 参考系拖拽(Frame-dragging)

参考系拖拽也叫参考系拖曳,它是广义相对论的一个预言,说的是一个处于旋转状态的中心质量,能够导致周围惯性参考系发生转动。说白了就是:黑洞的旋转会拖拽着它周围的时空跟着一起旋转!

比如说,有一个人在顺着黑洞旋转的方向运动,另一个人在逆着黑洞旋转方向运动。此时对于远处的观测者来说,他将看到顺着黑洞转的那个人时间走得更快。也就是说,当物体在大质量天体周围运动时,如果该天体在转动,那么物体的运动轨迹相比天体不转的情况,会出现特殊的细微偏差。

其实这种参考系拖拽现象很早便被预言了,但是由于它与牛顿力学的计算结果偏差只有几万亿分之一,所以一直很难被实验检验。先前“引力探针 B”实验,通过测量人造卫星轨道的偏差进行验证。但是由于地球质量太小,这一实验存在很多不确定因素,只能说在一定程度上验证了参考系拖拽效应。

如果天体的质量再大一些,我们就能通过分析环绕它旋转的小天体的进动现象来验证参考系拖拽。于是后来,有科学家尝试对双星系统中脉冲星的进动现象进行观测,但是现象仍然很微弱。要想产生足够明显的现象,天体的质量必须要足够大,这时候拥有 66 亿倍太阳质量的 M87 黑洞便成了天文学家的理想观测目标。

通过对 22 年的观测数据分析,研究人员发现 M87 黑洞的喷流存在一个周期性的摆动。由此推断,这应该是因为黑洞的自转轴和吸积盘喷流之间存在一个小小的夹角,在参考系拖拽效应下,喷流会绕着黑洞的自转轴做周期性转动,这个进动周期大概是 11 年

该现象的存在说明了两个事实:

1、M87 黑洞确实在自转。这意味着,我们有理由相信现实中观测到的黑洞,它们应该都是旋转的克尔黑洞,而非静态的经典黑洞。

2、参考系拖拽现象确实存在。这意味着,爱因斯坦的广义相对论再一次得到了完美验证。

参考资料:

  • [1] https://www.sci.news/astronomy/spinning-messier-87s-supermassive-black-hole-12304.html

  • [2] https://www.nature.com/articles/s41586-023-06479-6

  • [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Frame-dragging

  • [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_Probe_B

  • [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Messier_87

  • [6] https://mp.weixin.qq.com/s/gkToAZaq0-jI2rfAOBi94A

本文来自微信公众号:Linvo 说宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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