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自首次发现黑洞以来已有50多年 ， 现在我们知道可观测宇宙中可能有400亿个黑洞 。 它们无处不在 ， 然而它们仍然是宇宙中最神秘的物体之一 。 鉴于它们是完全不可见的 ， 科学家们甚至很难回答关于它们的相对简单的问题 ， 比如它们旋转的速度 ， 以及它们是否遵守宇宙的基本定律 。 但现在 ， 开创性的太空望远镜为我们提供了一个全新的黑洞视角 ， 并最终有机会回答这些问题 。
早在1915年 ， 爱因斯坦发表了他的广义相对论 ， 预示着黑洞的存在 。 这表明宇宙中存在如此密集的物体 ， 以至于它们在时空结构中创造了一个深引力井 ， 捕获了所有离得太近的东西 ， 包括光 。 它把这一切都挤进了一个无限密集的点 ， 但是整个吞咽东西的过程很难被真正察觉 。 黑洞不发射或反射任何辐射 ， 因此 ， 直到 1964 年 ， 天文学家才根据其对另一颗恒星的引力影响首次间接探测到黑洞 。
【对黑洞进行X光检查】从那时起 ， 科学家们间接观察到了许多黑洞 。 有些只是我们太阳质量的几倍 ， 而另一些则是数十亿倍 。 但是除了计算它们的质量之外 ， 还有很多属性天文学家仍然不知道 ， 最大的谜团之一是关于它们的旋转 。
宇宙中几乎所有的东西都像陀螺一样旋转 ， 包括行星、恒星和星系 ， 黑洞也不例外 。 随着物体收缩并变得越来越密集 ， 它通常会旋转得更快 ， 就像花样滑冰运动员蜷缩着胳膊和腿一样 ， 这是称为角动量守恒的物理定律的一个例子 。 所以你可能会认为 ， 密度无穷大的黑洞旋转得如此之快 ， 以至于它们的自旋也接近无穷大 。
但爱因斯坦广义相对论的数学解决方案表明这不是真的 ， 它显示了黑洞实际上可以旋转的最大速度 ， 任何额外的角动量都会以引力波的形式辐射出去 。 问题是 ， 黑洞的黑暗使得很难弄清楚这个数学在实践中是否成立 。 很长一段时间以来 ， 没有人能看到黑洞真正旋转的速度有多快 。
但近年来 ， 情况发生了变化 。 2012年 ， 美国宇航局向太空发射了名为核光谱望远镜阵列 (NuSTAR)的X 射线望远镜 。 这个望远镜进入地球表面上方约600 公里的低地球轨道 ， 展开一个10米长的桅杆 ， 并开始扫描天空以寻找最高能量的 X 射线 。 这些 X 射线对于探测宇宙特别有用 ， 因为它们可以直接穿过掩盖太空中许多物体的尘埃和气体 。 因此 ， NuSTAR 揭示了许多以前从未探索过的现象 。
虽然黑洞本身是不可见的 ， 但它们通常被一个巨大的、湍流的物质盘所包围 。 当该圆盘中的物质向黑洞旋转时 ， 它会变得过热并以 X 射线的形式辐射能量 ， 所以它会发出 NuSTAR 可以检测到的波长 。 2012年 ， 科学家们将望远镜聚焦在距离我们约5600万光年远的星系中心的超大质量黑洞上 。 他们希望利用从其圆盘辐射出的 X 射线中的信息来测量黑洞的自旋 。
广义相对论表明 ， 黑洞旋转得越快 ， 它的圆盘就越紧贴黑洞的视界 。 而且距离越近 ， 它的辐射就越会受到弯曲时空的影响 。 望远镜的目标是观察铁发出的 X 射线 ， 它具有望远镜可以识别的特征 。 但是 ， 与 NuSTAR 不同的是 ， 其他较旧的望远镜观测到的低能量 X 射线可能会被尘埃遮挡 。 因此 ， 天文学家不确定他们看到的X射线扭曲是来自尘埃云还是弯曲的时空 。 这意味着他们无法对黑洞的旋转做出任何肯定的结论 。
这就是 NuSTAR 的用武之地 。 NuSTAR 检测到了同样的铁信号 ， 但在更高能量的波长中可以穿透任何尘埃 。 它发现信号仍然失真 ， 但不是尘埃云造成的 ， 而是黑洞的自旋 。 现在 ， 科学家们可以精确测量铁信号中的失真 ， 从而准确计算出黑洞旋转的速度 。 通过这个望远镜 ， 他们发现黑洞以84% 的光速旋转 ， 这非常接近爱因斯坦理论预测的最大可能速度 。
这是迄今为止最好的证据 ， 证明黑洞确实有最大的自转速度 。 除了提供支持理论物理学的真实证据之外 ， 测量超大质量黑洞的自旋对于了解它们在整个早期宇宙中是如何形成和演化的也很重要 。
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