一种将自旋与气体和尘埃联系起来的新型黑洞考古揭示了这些宇宙泰坦的自转速度比预期的要快。
图示显示了一个旋转的大质量黑洞。 （图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））
科学家们发现，一些超大质量黑洞的旋转速度比预期的要快得多。这一发现是一种新形式的“黑洞考古学”的结果，该研究将黑洞自旋与它们消耗的气体和尘埃联系起来，从而发展了超过 70 亿年的宇宙历史。
斯隆数字天空巡天 （SDSS） 提供的调查结果表明了几件事。首先，早期宇宙可能比以前怀疑的更有序。其次，超大质量黑洞通过越来越大的黑洞合并链（当星系碰撞和合并时触发）的增长可能被贪婪地享用周围气体和尘埃的物体所补充。
“我们研究了从今天到 70 亿年前在星系中心发现的巨大黑洞，”来自康涅狄格大学的团队成员洛根·弗里斯 （Logan Fries） 在一份声明中说。“出乎意料的是，我们发现它们旋转得太快了，不可能仅仅由星系合并形成。“它们一定在很大程度上是由落入的物质形成的，黑洞平稳地生长并加速了它的旋转。”
测量黑洞旋转并不容易尽管是塑造周围整个星系的宇宙怪物，但质量是太阳数百万或数十亿倍的超大质量黑洞（以及它们更小的恒星质量对应物）总体上非常简单。它们只能由三个特性单独定义：质量、自旋，以及不太重要的电荷。正如物理学家约翰·惠勒 （John Wheeler） 诙谐地解释这种缺乏显著特征的原因：“黑洞没有头发。
“黑洞看起来如此奇特，但你可以用两个数字来完全描述它们：质量和自旋速率，”弗里斯解释说。问题是质量很难测量，而自旋更难。
左）艺术家对黑洞及其具有不同自旋的吸积盘的印象。（右）在每个光谱中将观察到的相应多波长光谱。（图片来源：左：NASA/JPL-Caltech右：Logan Fries 和 SDSS 合作）
黑洞的旋转速度很难与周围扁平的气体和尘埃云（吸积盘）的旋转速度区分开来。
“挑战在于将黑洞的自旋与周围的吸积盘自旋分开，”团队成员、康涅狄格大学研究员乔纳森·特朗普在声明中说。“关键是要看最里面的区域，那里的气体正在落入黑洞的事件视界。“一个旋转的黑洞会拖着最里面的物质前进，当我们查看测量中的细节时，这会导致明显的差异。”
宇宙化石记录该团队使用 SDSS 的混响映射项目解决了确定黑洞自旋的艰巨任务。该项目一直在对数百个黑洞进行极其精确的质量测量，同时还对空隙吸积盘的结构进行详细观察。
这些数据以光谱的形式出现，或在整个电磁波谱中发射的光。有了这个，科学家们就可以开始测量中心黑洞的旋转速率了。
光波长的细微变化在很大程度上揭示了黑洞的旋转。当物质落入黑洞时，它还会带来角动量——这种旋转揭示了黑洞过去饮食的细节。
“我称这种方法为'黑洞考古学'，因为我们试图了解黑洞的质量是如何随着时间的推移而增长的，”弗里斯说。“通过观察黑洞的自旋，你基本上是在观察它的化石记录。”
早期宇宙中超大质量黑洞的插图。（图片来源：Robert Lea（使用 Canva 创建））
当科学家将观察到的自旋速率与预测的自旋速率进行比较时，就可以解码这种“化石记录”。
目前，最受欢迎的模型表明，超大质量黑洞是通过它们的家乡星系碰撞和合并时触发的合并而增长的。因为这些单独的星系有自己的旋转速率和随机方向，所以当它们合并时，这些旋转可能会抵消。或者，至少，它们可以合并在一起。两种结果的可能性应该相同。
鉴于此，科学家们预计黑洞的自旋应该非常缓慢。然而，这并不是这个团队发现的。
观测到的黑洞在宇宙历史上的自旋图，从过去到现在，从左到右。粗彩色点代表观察到的黑洞自旋——蓝色表示与吸积盘相同的旋转方向，灰色表示很少或没有旋转，红色表示相反方向的旋转。绿色椭圆显示了通过平滑吸积实现黑洞增长的预期结果;粉红色的椭圆显示了合并的预期。（图片来源：左：Logan Fries 和 SDSS 合作右上：NASA、ESA 和哈勃遗产团队 （STScI）右下：NASA/CXC/M.Weiss）
这项研究不仅揭示了许多黑洞的旋转速度比预期的要快，而且还表明，更遥远的星系中的黑洞旋转速度甚至比本地宇宙中的黑洞还要快。
这表明黑洞的自旋可能会随着时间的推移而逐渐形成。可能发生的一种方法是通过黑洞通过逐渐吸积尘埃和气体来积累角动量。
研究人员可以进一步测试这一想法，并使用詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST） 的观测结果来验证这些结果，该望远镜在其三年的运行中，一直在寻找宇宙早期和早期时期的超大质量黑洞。
“黑洞确实位于人类理解的前沿，”SDSS 当前阶段 SDSS-V 主任 Juna Kollmeier 在声明中说。“我们进行像 SDSS 这样的大规模调查，以构建其基本特性的实证天体物理图景，我们的理论模型可以据此进行测试。”
弗里斯于 1 月 14 日在马里兰州国家港口举行的美国天文学会 （AAS） 第 245 次会议上介绍了该团队的发现。
