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天文学家刚刚计算了超大质量黑洞的自旋

科学探索万象经验2024-05-25

在星系的中心居住着超大质量黑洞,它们的引力弯曲了时空的结构。当一颗恒星冒险接近这样一个巨头时,就会发生一种称为潮汐破坏(TDE)的暴力事件。黑洞的巨大引力将恒星撕裂,留下一个旋转的恒星碎片漩涡

但故事并没有结束,这个新形成的碎片盘,远非被动受害者,而是在进行一场迷人的宇宙芭蕾舞——Lense-Thirring进动。Lense–Thirring进动是由Josef Lense和Hans Thirring在1918年首次预测的,它描述了一个旋转质量如何通过广义相对论的参考系拖拽影响周围的时空。

在TDE事件中,恒星碎片不会简单地落入到黑洞之中。相反,它会围绕着黑洞旋转形成吸积盘。恒星的初始轨道和黑洞的自旋轴可能不一致,这种不对齐变得至关重要。随着恒星物质被撕碎并形成一个盘,这个盘可能相对于黑洞的赤道倾斜。这个倾斜的吸积盘,成为Lense-Thirring进动的舞台。

想象一个倾斜的陀螺,由于重力形成的力矩,导致其旋转轴的方向持续发生变化,这就是陀螺的进动。同样,Lense-Thirring效应在不对齐的吸积盘施加相对论扭矩,导致盘的平面围绕黑洞的自旋轴进动。在TDE中,Lense–Thirring进动对吸积盘的动态有重要影响。它不仅改变了吸积盘的方向,还可能影响从盘中向外流出的物质的速率和方向。

这种进动不是平稳、连续的运动,它更像是阻尼振荡。最初,这种不对齐很大,导致显著的进动。然而,随着时间的推移,与黑洞的相互作用和盘内部的摩擦逐渐减小了倾斜。最终,经过一段时间,吸积盘盘摆脱了不对齐,并沉降到与黑洞赤道共面的平面中,此时进动停止。

Lense–Thirring进动不仅仅是一个理论概念,它具有可观察后果。进动盘不会均匀地发射辐射,随着倾斜角度的变化,从黑洞中遮挡我们视线的物质的数量也会波动。这种变化在观察到的TDE光曲线中转化为调制。通过研究这些调制,天文学家不仅可以确认进动的存在,还可以将其作为探测超大质量黑洞自旋的工具。

最近的观测提供了TDE中Lense–Thirring进动的证据。AT2020ocn/ZTF18aakelin是一个光学瞬变体,来自一个之前静止的星系的中心,红移为0.0705。对TDE的高频率x射线监测观测显示出强烈的、准周期性的x射线通量和温度调制。在TDE的早期阶段,这些变化间隔大约15天,持续约130天。这种X射线变化是由Lense–Thirring进动的吸积*产生的,研究人员也由此计算出黑洞的无量纲自旋参数为0.05[gf]2272[/gf]∣a∣[gf]2272[/gf]0.5。

测量黑洞自旋的能力对于理解其形成和演化至关重要。一个快速旋转的黑洞暗示着一个剧烈的过去,也许是较小的黑洞的合并。相反,一个缓慢旋转的黑洞暗示着一个更平静的吸积历史。通过分析吸积盘的进动,天文学家可以揭开这些神秘物体隐藏的秘密。

Lense–Thirring进动在理解TDE的物理过程中扮演着关键角色。通过对这些现象的进一步研究,我们不仅能更好地理解黑洞和吸积盘的相互作用,还能对广义相对论在极端条件下的预测进行测试。随着观测技术的进步,我们期待未来能有更多关于TDE和Lense–Thirring进动的发现。