人馬座A*是銀河系中心的超大質量黑洞，它的旋轉速度會扭曲周圍的時空，影響銀河系的動力學，並可能影響未來恆星的形成。根據一項利用美國國家航空暨太空總署錢德拉X 射線天文台和美國國家科學基金會卡爾-詹斯基甚大陣列（VLA）的數據進行的新研究，銀河系中心的超大質量黑洞正在快速旋轉，將其周圍的時空扭曲成一個看起來像足球的形狀。

這幅藝術家繪製的插圖顯示了銀河系中心超大質量黑洞和周圍物質的橫截面。中心的黑色球體代表黑洞的事件穹界，也就是不歸點，任何東西，甚至光，都無法從這裡逃逸。從側面看旋轉的黑洞，如圖所示，周圍的時空形狀就像美式足球。兩側的黃橙色物質代表圍繞黑洞旋轉的氣體。這些物質不可避免地向黑洞墜落，一旦落入足球形狀的內部，就會穿過事件穹界。因此，足球形狀內、事件視界外的區域被描繪成空洞。藍色圓球表示從旋轉黑洞兩極射出的噴流。圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

天文學家稱這個巨大的黑洞為人馬座A*（簡稱Sgr A*），它距離地球約26,000 光年，位於銀河系的中心。

黑洞有兩個基本特性：質量（重量）和自旋（旋轉速度）。確定這兩個值中的任何一個，都能讓科學家對任何黑洞及其行為方式瞭如指掌。

自旋測量技術

一個研究小組採用了一種新方法，利用X 射線和無線電數據，根據物質流向和流出黑洞的方式來確定Sgr A* 的旋轉速度。他們發現Sgr A*的旋轉角速度–即每秒的旋轉圈數–約為最大可能值的60%，而這是由於物質的運動速度無法超過光速而設定的極限。

過去，不同的天文學家使用不同的技術對Sgr A*的旋轉速度進行了其他一些估計，結果從Sgr A*完全不旋轉到幾乎以最大速度旋轉不等。

新研究的第一作者、賓州州立大學的露絲-戴利（Ruth Daly）說：”我們的工作可能有助於解決銀河系超大質量黑洞的旋轉速度問題。結果表明，Sgr A* 的旋轉速度非常快，這很有趣，而且影響深遠。”

人馬座A* 及其周圍區域的錢德拉X 光影像。資料來源：NASA/CXC/威斯康辛大學/Y.Bai, et al.

快速旋轉的影響

旋轉的黑洞在旋轉時會拉動”時空”（時間和三維空間的組合）和附近的物質。旋轉黑洞周圍的時空也會被壓扁。從頂部俯視黑洞，沿著黑洞產生的任何噴流桶，時空都是圓形。然而，從側面看旋轉的黑洞，時空的形狀就像足球。旋轉速度越快，足球就越平。

黑洞的自旋可以作為一個重要的能量來源。旋轉的超大質量黑洞在提取其自旋能量時會產生準直外流，即狹窄的物質束，如噴流，這就要求黑洞附近至少有一些物質。由於Sgr A* 周圍的燃料有限，這個黑洞近千年來相對安靜，噴流也相對較弱。然而，這項研究表明，如果斯格拉A*附近的物質數量增加，這種情況可能會改變。

人馬座A* 的未來

“旋轉的黑洞就像發射台上的火箭，”來自加拿大溫尼伯馬尼托巴大學的合著者賓尼-塞巴斯蒂安說。 “一旦物質足夠接近，就好像有人給火箭加滿了燃料，然後按下了’發射’按鈕”。

這意味著，將來如果黑洞附近物質的性質和磁場強度發生變化，黑洞自旋的巨大能量的一部分可能會驅動更強大的外流。這種源物質可能來自氣體，也可能來自被黑洞引力撕裂的恆星殘骸，如果該恆星遊蕩得離斯格拉A*太近的話。

來自密西根州立大學的合著者梅根-多納休（Megan Donahue）說：”一個星系旋轉的中心黑洞所產生的噴流會深刻影響整個星系的氣體供應，從而影響恆星形成的速度，甚至影響恆星是否能夠形成。在銀河系黑洞周圍的X射線和伽馬射線中看到的’費米氣泡’表明，黑洞在過去可能是活躍的。測量我們黑洞的自旋是對這種情況的重要檢驗。”

為了確定Sgr A* 的自旋，作者使用了一種基於經驗的理論方法，即”外流法”，該方法詳細說明了黑洞的自旋與其質量、黑洞附近物質的特性以及外流特性之間的關係。準直外流產生無線電波，而黑洞周圍的氣體盤產生X 射線輻射。利用這種方法，研究人員將錢德拉和VLA 的數據與其他望遠鏡對黑洞質量的獨立估計結合起來，對黑洞的自旋進行了約束。

合著者之一、加拿大蒙特利爾麥吉爾大學的Anan Lu 說：”我們對Sgr A* 有特殊的看法，因為它是離我們最近的超大質量黑洞。雖然它現在很安靜，但我們的工作表明，未來它將對周圍的物質產生無比強大的衝擊力。這可能發生在一千年或一百萬年後，也可能發生在我們有生之年。”

銀河系中心的超大質量黑洞正在飛速旋轉，以至於它把周圍的時空扭曲成一個看起來像美式足球的形狀。這項結果是利用美國太空總署錢德拉X 射線天文台（太空中的X 射線望遠鏡）和美國國家科學基金會甚大陣列（位於新墨西哥州的射電望遠鏡陣列）的數據得出的。資料來源：NASA/CXC/A.霍巴特

描述這些結果的論文由露絲-戴利（Ruth Daly）領銜撰寫，發表在2024 年1 月出版的《英國皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。

編譯來源：ScitechDaily