天文学家揭秘：超大质量黑洞的神秘自旋

weichi2000

在星系的心脏地带，潜伏着超大质量黑洞，它们以强大的引力扭曲了时空的结构。当一颗不幸的恒星靠近这样一个庞然大物时，就会触发一种名为潮汐破坏（TDE）的猛烈现象。黑洞的庞大引力将恒星撕裂成旋转的碎片漩涡。然而，故事并未就此结束。这些新形成的碎片盘并非被动的受害者，而是在进行一场宇宙级的华丽舞蹈——Lense-Thirring进动。这一现象最早由Josef Lense和Hans Thirring在1918年预言，它描述了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，恒星碎片并非简单地坠入黑洞，而是围绕黑洞旋转形成吸积盘。由于恒星的初始轨道可能与黑洞的自旋轴不同步，这种不对称变得至关重要。随着恒星物质被撕裂并形成盘状结构，这个盘可能相对于黑洞赤道倾斜，成为Lense-Thirring进动的舞台。

想象一个倾斜的陀螺，重力产生的扭矩使其旋转轴方向不断改变，这就是陀螺的进动。同理，Lense-Thirring效应在不对称的吸积盘上施加相对论性扭矩，导致盘面围绕黑洞自旋轴进动。在TDE中，这种现象对吸积盘的动态有重大影响，不仅改变了吸积盘的方向，还可能影响从盘中流出的物质的速度和方向。

这种进动不是平稳连续的，更像是一种阻尼振荡。最初，这种不对称性较大，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摩擦逐渐减小了倾斜。最终，经过一段时间，吸积盘摆脱不对称，稳定在与黑洞赤道共面的平面上，此时进动停止。ense-Thirring进动不仅是理论构想，它具有可观测的后果。进动盘不会均匀发射辐射，随着倾斜角度的变化，从黑洞遮挡我们视线的物质量也会波动。这种变化转化为观察到的TDE光曲线中的调制。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。

最近的观测为TDE中的Lense-Thirring进动提供了证据。AT2020ocn/ZTF18aakelin是一个光学瞬变体，来自之前静止的星系中心，红移为0.0705。对TDE的高频率X射线监测显示出强烈的、准周期性的X射线通量和温度调制。在TDE早期阶段，这些变化间隔约15天，持续约130天。这种X射线变化是由Lense-Thirring进动的吸积流引起的，研究人员由此计算出黑洞的无量纲自旋参数为0.05≲∣a∣≲0.5。
测量黑洞自旋对于理解其形成和演化至关重要。快速旋转的黑洞暗示着剧烈的过去，可能是较小黑洞合并的结果。相反，缓慢旋转的黑洞则表明其有着更为平静的吸积历史。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物理过程中扮演着关键角色。通过进一步研究这些现象，我们不仅能更好地理解黑洞与吸积盘的相互作用，还能测试广义相对论在极端条件下的预测。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。