捕捉黑洞,使用黑洞

天文学家利用一个非凡的超大质量黑洞双星系统来测量主黑洞的自旋

NASA/JPL-Caltech

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


黑洞可能质量巨大,但它们也异常紧凑,这使得在广阔的宇宙距离中评估它们非常具有挑战性。引力波天文学的时代现在为探测这些物体打开了一套新的工具,但研究人员实际上还有许多其他诀窍来确定黑洞的属性。

Valtonen等人最近在The Astrophysical Journal上发表的一项工作,让我们得以一窥一个特别巧妙且完全自然的黑洞实验,该实验也有助于揭示它们的物理特性。

被称为OJ 287(所谓的BL Lac类星体)的高光度系统在过去120年中已被天文观测发现——尽管直到20世纪才认识到它的真实性质。OJ 287距离我们约35亿光年,是一个位于星系核心的非凡的超大质量黑洞双星系统;两个巨大的黑洞相互束缚在轨道中。主黑洞的质量约为180亿个太阳质量,次黑洞的质量仅为1.5亿个太阳质量。


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来自该系统的可见光(主要由围绕较大黑洞旋转的过热物质产生)在大约12年的周期内相当有规律地变化。在其峰值时,亮度增加会出现双峰——据认为这是由于较小黑洞的轨道穿过围绕较大黑洞吸积的物质盘造成的。一般配置如图所示

图片来源:Gary Poyner,英国

这些爆发的时间不仅使天文学家能够估计黑洞的质量,而且能够看到较小黑洞椭圆轨道的进动或偏移。轨道进动是许多天体物理系统的特性。进动也发生在地球轻微的椭圆轨道上,但速率约为每112,000年完成一次360度的轨道偏移。相比之下,OJ 287系统的进动非常剧烈,较小黑洞轨道的椭圆每12年轨道旋转39度——这是黑洞对时空极端扭曲的直接结果。

轨道时间的可预测性也使得Valtonen及其同事能够为2015年11月和12月较小黑洞穿过较大吸积盘的爆发做好准备——这与爱因斯坦广义相对论百年纪念完美同步。

通过精确测量来自系统的辐射变化,天文学家能够间接测量质量为180亿个太阳质量的主黑洞的实际自旋。答案是什么?它的自旋速度是黑洞允许的最大自旋速度的31%(超过这个速度,奇点原则上会暴露出来)。

这些数据,连同历史观测,也清楚地表明该系统必定正在通过引力波损失能量。换句话说,在OJ 287中,我们确实目睹了两个超大质量黑洞的逐渐旋进。

有趣的是,该系统还允许对黑洞的“无毛定理”进行约束,该定理认为质量、自旋和电荷完全描述了任何黑洞,不需要或不允许其他特征。测试这一点的一种方法是使用OJ 287双星来限制较大黑洞的四极矩。下一次尝试这个的机会将在2019年到来,尽管届时太阳将出现在附近,使望远镜监测变得复杂,这将是一个具有挑战性的时期。

黑洞可能是宇宙中最超现实和令人费解的物体,但我们开始非常了解它们了

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