天文|天文学家的新研究，让我们找到测量银河系中心黑洞自旋的途径_银河系黑洞|黑洞|银河系中心

我们其实并不知道银河系中心超大质量黑洞的旋转速度，但或许有方法找到它。
除非爱因斯坦的理论是错误的，一个黑洞可以由三个性质确定：电荷，质量和自旋。由于黑洞俘获的物质是电中性的，黑洞应当近似不带电。黑洞的质量决定了其事件视界半径，其可以通过多种方式测得：从周围物质的亮度到邻近天体的运动轨迹。然而，黑洞的自旋却相对难以研究得多。

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从黑洞发射的X射线如何向我们揭示黑洞的自旋。（来源：NASA/JPL-CaltechA）黑洞的自旋本质上就是它的旋转。就像恒星和行星，黑洞也围绕其自身的自转轴旋转。然而和恒星或行星不同，黑洞并没有物质性的表面。因此黑洞的自旋就和质量一样，是一种时空属性。自旋决定了黑洞周围的时空被其以何种程度翘曲。因此，为了测量黑洞的自旋，就需要研究黑洞附近的物质如何运转。

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一部分超大质量黑洞的自旋现在已经被测出。对于少数活跃的黑洞，我们能够研究黑洞吸积盘发射的X射线。这些X射线的能量会从黑洞的旋转中得到提升，而我们可以通过对此提升进行测量以得出黑洞的自旋。另外一种方式是直接对黑洞进行成像，就像我们曾经对M87星系中心黑洞做过的一样。在那个黑洞周围的光环中，朝我们旋转的一侧看上去更加明亮。

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【天文|天文学家的新研究，让我们找到测量银河系中心黑洞自旋的途径】
由于黑洞的自旋，光环的一侧显得更加明亮。（来源：EHT Collaboration）但是我们并不知道距离我们最近的超大质量黑洞，银河系中心黑洞的自旋。银河系中心黑洞不是非常活跃，并且它也比M87星系黑洞要小得多。因此我们并不能通过观测其周围的光去测量它的自旋。但天体物理学报通信里一篇新的论文却认为有另一种方式可以测量黑洞的自旋。

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这个方法为惯性系拖曳效应。当质量旋转时，它会轻微地扭曲周围的空间。我们已知这是真实存在的，因为我们已经测量了地球自转的惯性系拖曳效应。同样，黑洞的旋转也会产生相同的惯性系拖曳效应，并且通过测量，我们能确定黑洞的自旋速度。我们无法用测量地球方法在黑洞周围的轨道上放置探测器，但是下一个方法可以做到。
S星团围绕着银河系中的黑洞旋转。图片来源：NCSA,UCLA/Keck数百颗恒星围绕着银河系中心的黑洞运动。其中大约有四十颗称它们为S恒星，其轨道距离黑洞非常近。随着时间的推移，它们的轨道会因惯性系拖曳效应而发生位移。如果我们可以测量所发生的位移，就可以随之测量黑洞的自旋速度——黑洞的自旋速度越大， S恒星的轨道位移就越大。

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在这项新工作中，科研团队研究了S恒星的轨道，发现没有惯性系拖曳效应。考虑到我们对这些恒星轨道的了解程度，我们知道银河系中心黑洞的旋转必须很缓慢。科研团队确定S恒星的转速在0-1的范围内不得超过0.1 ，这意味着它的转速小于小区黑洞最大可能转速的10% 。相比之下，黑洞M87的转速至少为0.4 。

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相关知识
黑洞是一个时空区域，它的引力非常强，以至于没有任何粒子，电磁辐射能够从中逃逸，例如：光[1] 。广义相对论预测，足够大的质量会是时空扭曲，从而形成黑洞[2] [3] 。无法逃脱的区域边界称为事件视界。尽管事件视界对穿过它的物体的环境和状态有着巨大的影响，但是根据广义相对论，它没有局部可检测的特征[4] 。在许多方面，黑洞犹如一个理想化的黑体，因为它不反射任何光线[5] [6] 。此外，弯曲时空中的量子场论预测，事件视界会发射霍金辐射，其光谱与黑体相同，其质量与温度成反比。对于恒星质量的黑洞，该温度约为十亿分之一开尔文温度，所以无法观察到。
作者：BRIAN KOBERLEIN
FY：Astronomical volunteer team
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