這張來(lái)自視界望遠(yuǎn)鏡的圖像顯示了附近星系梅西埃87內(nèi)部的中心黑洞。

       在震驚世界的巨大努力中，科學(xué)家們?nèi)ツ旯�布了第一張黑洞的直接圖片，讓人類(lèi)能夠看到存在于怪物胃尖的東西�，F(xiàn)在，天文學(xué)家已經(jīng)使用了一種不同的技術(shù)，包括x射線“回聲”來(lái)觀察這些重力巨獸中的一個(gè)。

       聚焦的黑洞停在一個(gè)名為IRAS 13224-3809的星系中間，該星系位于大約十億光年之外。超大質(zhì)量物體被百萬(wàn)度物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)包圍，并被溫度超過(guò)十億度的x射線日冕覆蓋。通過(guò)繪制這些x射線的行為，科學(xué)家們繪制了一張黑洞視界周?chē)鷧^(qū)域的極其詳細(xì)的地圖，在這個(gè)區(qū)域之外，光都無(wú)法逃脫。

       劍橋大學(xué)的威廉·奧爾斯頓說(shuō):“黑洞本身不會(huì)發(fā)光，所以我們研究這一現(xiàn)象的唯一方法是觀察物質(zhì)落在上面時(shí)會(huì)發(fā)生什么。”自然天文學(xué)。

       這是一個(gè)比事件視界望遠(yuǎn)鏡更精確的測(cè)量，事件視界望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生了去年的黑洞圖片，可以制造出一個(gè)如此遙遠(yuǎn)的物體。IRAS 13224-3809黑洞的新測(cè)量幫助科學(xué)家確定了它的質(zhì)量和自旋，這些性質(zhì)可以揭示黑洞演化的重要線索。如果可以對(duì)附近更大數(shù)量的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行類(lèi)似的測(cè)量，它們將有助于科學(xué)家了解星系是如何生長(zhǎng)的。

       阿爾斯通說(shuō):“了解許多星系中黑洞的自旋分布，可以告訴我們?nèi)绾螐脑缙谟钪孀呦蚪裉煳覀兛吹降娜丝凇?rdquo;。

回聲映射

       盡管這個(gè)名字無(wú)關(guān)痛癢，IRAS 13224-3809卻是x射線天空中最令人興奮的星系之一:它是一個(gè)活躍的星系，意味著它最里面的區(qū)域比單獨(dú)用恒星所能解釋的更加明亮，它的x射線亮度波動(dòng)50倍，有時(shí)僅僅幾個(gè)小時(shí)。阿爾斯通和他的同事選擇研究這個(gè)特殊的星系，因?yàn)樗麄兿胍�一個(gè)動(dòng)態(tài)的、波動(dòng)的來(lái)源，可以幫助他們確定中心超大質(zhì)量黑洞的特定性質(zhì)。

       為此，阿爾斯通和他的同事們使用歐洲航天局的XMM-Newton航天器研究了紅外輻射系統(tǒng)13224-3809。XMM-Newton是一架用x光研究宇宙的繞地望遠(yuǎn)鏡，在2011年至2016年間，他在總共550多個(gè)小時(shí)的16個(gè)軌道上凝視著這個(gè)遙遠(yuǎn)的星系。

       從這幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)中，阿爾斯通和他的同事們組裝了一張超大質(zhì)量黑洞的x射線日冕和吸積盤(pán)的地圖，這是一個(gè)在視界之外的旋渦物質(zhì)環(huán)。一些發(fā)射的x射線直接射向宇宙，但另一些射向吸積盤(pán)，需要一點(diǎn)時(shí)間才能離開(kāi)布魯斯的周?chē)�環(huán)境。

       “額外的路徑長(zhǎng)度導(dǎo)致最初在日冕中產(chǎn)生的x射線之間的時(shí)間延遲，”阿爾斯通解釋道。"我們可以測(cè)量回聲——這個(gè)時(shí)間延遲——我們稱(chēng)之為混響."

       這項(xiàng)被稱(chēng)為混響映射的技術(shù)幫助科學(xué)家探測(cè)黑洞周?chē)�的氣體物質(zhì)。阿爾斯通將這一過(guò)程比作回聲定位，在回聲定位中，蝙蝠等動(dòng)物從物體上反射聲音來(lái)幫助它們?cè)陲w行中導(dǎo)航。此外，與事件視界望遠(yuǎn)鏡用來(lái)合成附近黑洞圖像的過(guò)程不同，混響映射可以用來(lái)研究遙遠(yuǎn)的物體，探測(cè)距離事件視界更近的區(qū)域。

       “混響映射根本不依賴于空間分辨率，”佐治亞州立大學(xué)的米斯迪·本特說(shuō)，他用同樣的技術(shù)研究遙遠(yuǎn)的黑洞。“相反，它利用物體內(nèi)部的光回波來(lái)告訴我們結(jié)構(gòu)，甚至非常小和非常遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)。”

驚人的旋轉(zhuǎn)

       從IRAS 13224-3809捕獲的光回波使得阿爾斯通和他的團(tuán)隊(duì)能夠確定黑洞周?chē)�物質(zhì)的精確幾何形狀，包括為這些回波提供能量的動(dòng)態(tài)x射線冕的尺寸。該小組然后可以利用這些信息來(lái)計(jì)算黑洞的質(zhì)量和自旋，這兩個(gè)屬性不會(huì)隨著人類(lèi)時(shí)間尺度而波動(dòng)。

       阿爾斯通說(shuō):“為了測(cè)量黑洞的質(zhì)量和自旋，我們需要在氣體落入黑洞之前準(zhǔn)確知道它在哪里。”。科學(xué)家以前曾使用這種技術(shù)研究超大質(zhì)量黑洞，但這些觀測(cè)既不像IRAS 13224-3809那樣冗長(zhǎng)，也不像IRAS 13224-3809那樣來(lái)源多變。

       基于新的映射，該團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，這個(gè)超大質(zhì)量黑洞包含多達(dá)200萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，并且它正在以盡可能快的速度旋轉(zhuǎn)，而沒(méi)有違反物理定律。Bentz沒(méi)有參與這項(xiàng)工作，他說(shuō)作者廣泛的觀察使結(jié)果非常有說(shuō)服力。

       “作者進(jìn)行了16次相同的實(shí)驗(yàn)，這比以前的任何研究都要多，”本特說(shuō)。"這真的幫助他們確定了沒(méi)有改變的部分."

       阿爾斯通和他的團(tuán)隊(duì)還組裝了一幅動(dòng)態(tài)圖像，顯示了x射線電暈包裹黑洞是如何隨時(shí)間變化的，其大小在一天內(nèi)會(huì)有一些戲劇性的變化。

銀河種子

       宇宙中的每個(gè)大星系都可能錨定在一個(gè)中心超大質(zhì)量黑洞中。破譯這些錨自旋的方式可以為它們和它們的宿主星系如何在宇宙時(shí)代形成和進(jìn)化提供線索。

       “我們不知道超大質(zhì)量黑洞是如何形成的，”阿爾斯通說(shuō)。“這些在早期宇宙中的種子是什么？我們目前的大多數(shù)模型預(yù)測(cè)種子太小，實(shí)際上它們長(zhǎng)得不夠快。”

       星系形成的一種方式是多個(gè)小星系碰撞并融合。當(dāng)這些星系合并時(shí)，它們的中心黑洞也會(huì)合并。阿爾斯通說(shuō)，如果這些碰撞是混亂的，它們不僅會(huì)導(dǎo)致更大的黑洞質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致它旋轉(zhuǎn)的方式。

       黑洞膨脹的另一種方式是通過(guò)不斷流入的氣流。在這種情況下，產(chǎn)生的自旋可能會(huì)更快，就像IRAS 13224-3809的自旋看起來(lái)那樣，盡管阿爾斯通說(shuō)，現(xiàn)在下結(jié)論說(shuō)這個(gè)特定的星系通過(guò)這個(gè)機(jī)制增加了質(zhì)量還為時(shí)過(guò)早。

       最終，他和他的同事們希望使用混響映射來(lái)確定數(shù)百個(gè)附近超大質(zhì)量黑洞的自旋——從而確定它們的形成歷史，實(shí)際上是對(duì)這些物體進(jìn)行普查。然后，基于這些黑洞有多遠(yuǎn)，科學(xué)家們可以觀察星系是如何在宇宙的整個(gè)年齡增長(zhǎng)的。