國際團隊證黑洞可自旋 符合愛因斯坦廣義相對論預測

最新刊於《自然》的國際研究指,在 2019 人類首次被肉眼看到的室女 A 星系 (Messier 87, M87) 中心巨型黑洞,實際上一直在自旋,現象符合愛因斯坦廣義相對論的預測。

團隊利用由 20 多台望遠鏡組成的全球網絡,分析了 2000 年至 2022 年間對質量達太陽 65 億倍的 M87 黑洞進行的 170 次觀測。

團隊無法觀察到事件視界內的任何東西,因為黑洞的引力太大令光無法逃出。然而,這並不代表黑洞無法被看見,因為活躍的黑洞會被吸積盤包圍著,吸積盤是從氣體雲和恆星中剝離出來的大量物質,在盤旋進入黑洞口時通過摩擦被加熱到熾熱的溫度。其中一些物質被噴出,形成兩股熱物質噴流,在大約十分之一的情況下,它們會以 99.9% 的光速噴出。黑洞噴流如何獲得所需的巨大能量一直成謎,但物理學家利用愛因斯坦的廣義相對論表明,如果黑洞繞軸快速旋轉,噴流可以從黑洞磁場中獲取能量。

黑洞很可能從其早期恆星形成時就獲得了部分旋轉動力,當恆星突然向內塌陷時,就變得像花式滑冰運動員收緊雙臂,加快旋轉速度。隨時間推移,由於被黑洞撕裂的恆星落入物質或與其他大質量物體發生災難性碰撞的影響,自旋可能變得更快。

團隊發現 M87 黑洞正在緩慢地將其噴流角度改變約 10 度,然後回到原來的位置,而這種擺動週期大約為 11 年。根據噴流的角度擺動變化,團隊可以推斷出黑洞自旋。

愛因斯坦的廣義相對論預言,自旋黑洞會透過稱為「參考系拖曳 (frame-dragging) 」的過程,扭曲其周圍時空,導致整個吸積盤的擺動,而噴流受吸積盤的影響也會産生擺動。

M87 特別令學者感興趣,因為該星系距離我們只有 5,400 萬光年,比其他星系近得多。

除了再次證實愛因斯坦的理論之外,黑洞自旋的發現還提出了許多令人興奮的問題。 其中包括與災難性事件可能導致快速旋轉有關的問題,以及發現光子球層 (photon spheres) 的可能性;光子球層是黑洞周圍的微弱光環,可以為量子重力理論提供重要線索。

來源:

Science Alert, It’s Official: The M87 Black Hole Is Spinning

Live Science, Scientists just proved that ‘monster’ black hole M87 is spinning — confirming Einstein’s relativity yet again

報告:

Cui, Y., Hada, K., Kawashima, T. & et al. (2023). Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87. Nature 621, 711–715. doi: 10.1038/s41586-023-06479-6 

文/AC

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