天文学家刚刚对一个黑洞进行了深入的观察

这张来自视界望远镜的图像显示了附近星系梅西埃87内部的中心黑洞。

       在震惊世界的巨大努力中，科学家们去年公布了第一张黑洞的直接图片，让人类能够看到存在于怪物胃尖的东西。现在，天文学家已经使用了一种不同的技术，包括x射线“回声”来观察这些重力巨兽中的一个。

       聚焦的黑洞停在一个名为IRAS 13224-3809的星系中间，该星系位于大约十亿光年之外。超大质量物体被百万度物质的旋转圆盘包围，并被温度超过十亿度的x射线日冕覆盖。通过绘制这些x射线的行为，科学家们绘制了一张黑洞视界周围区域的极其详细的地图，在这个区域之外，光都无法逃脱。

       剑桥大学的威廉·奥尔斯顿说:“黑洞本身不会发光，所以我们研究这一现象的唯一方法是观察物质落在上面时会发生什么。”自然天文学。

       这是一个比事件视界望远镜更精确的测量，事件视界望远镜产生了去年的黑洞图片，可以制造出一个如此遥远的物体。IRAS 13224-3809黑洞的新测量帮助科学家确定了它的质量和自旋，这些性质可以揭示黑洞演化的重要线索。如果可以对附近更大数量的超大质量黑洞进行类似的测量，它们将有助于科学家了解星系是如何生长的。

       阿尔斯通说:“了解许多星系中黑洞的自旋分布，可以告诉我们如何从早期宇宙走向今天我们看到的人口。”。

回声映射

       尽管这个名字无关痛痒，IRAS 13224-3809却是x射线天空中最令人兴奋的星系之一:它是一个活跃的星系，意味着它最里面的区域比单独用恒星所能解释的更加明亮，它的x射线亮度波动50倍，有时仅仅几个小时。阿尔斯通和他的同事选择研究这个特殊的星系，因为他们想要一个动态的、波动的来源，可以帮助他们确定中心超大质量黑洞的特定性质。

       为此，阿尔斯通和他的同事们使用欧洲航天局的XMM-Newton航天器研究了红外辐射系统13224-3809。XMM-Newton是一架用x光研究宇宙的绕地望远镜，在2011年至2016年间，他在总共550多个小时的16个轨道上凝视着这个遥远的星系。

       从这几个小时的数据中，阿尔斯通和他的同事们组装了一张超大质量黑洞的x射线日冕和吸积盘的地图，这是一个在视界之外的旋涡物质环。一些发射的x射线直接射向宇宙，但另一些射向吸积盘，需要一点时间才能离开布鲁斯的周围环境。

       “额外的路径长度导致最初在日冕中产生的x射线之间的时间延迟，”阿尔斯通解释道。"我们可以测量回声——这个时间延迟——我们称之为混响."

       这项被称为混响映射的技术帮助科学家探测黑洞周围的气体物质。阿尔斯通将这一过程比作回声定位，在回声定位中，蝙蝠等动物从物体上反射声音来帮助它们在飞行中导航。此外，与事件视界望远镜用来合成附近黑洞图像的过程不同，混响映射可以用来研究遥远的物体，探测距离事件视界更近的区域。

       “混响映射根本不依赖于空间分辨率，”佐治亚州立大学的米斯迪·本特说，他用同样的技术研究遥远的黑洞。“相反，它利用物体内部的光回波来告诉我们结构，甚至非常小和非常远的结构。”

惊人的旋转

       从IRAS 13224-3809捕获的光回波使得阿尔斯通和他的团队能够确定黑洞周围物质的精确几何形状，包括为这些回波提供能量的动态x射线冕的尺寸。该小组然后可以利用这些信息来计算黑洞的质量和自旋，这两个属性不会随着人类时间尺度而波动。

       阿尔斯通说:“为了测量黑洞的质量和自旋，我们需要在气体落入黑洞之前准确知道它在哪里。”。科学家以前曾使用这种技术研究超大质量黑洞，但这些观测既不像IRAS 13224-3809那样冗长，也不像IRAS 13224-3809那样来源多变。

       基于新的映射，该团队得出结论，这个超大质量黑洞包含多达200万个太阳的质量，并且它正在以尽可能快的速度旋转，而没有违反物理定律。Bentz没有参与这项工作，他说作者广泛的观察使结果非常有说服力。

       “作者进行了16次相同的实验，这比以前的任何研究都要多，”本特说。"这真的帮助他们确定了没有改变的部分."

       阿尔斯通和他的团队还组装了一幅动态图像，显示了x射线电晕包裹黑洞是如何随时间变化的，其大小在一天内会有一些戏剧性的变化。

银河种子

       宇宙中的每个大星系都可能锚定在一个中心超大质量黑洞中。破译这些锚自旋的方式可以为它们和它们的宿主星系如何在宇宙时代形成和进化提供线索。

       “我们不知道超大质量黑洞是如何形成的，”阿尔斯通说。“这些在早期宇宙中的种子是什么？我们目前的大多数模型预测种子太小，实际上它们长得不够快。”

       星系形成的一种方式是多个小星系碰撞并融合。当这些星系合并时，它们的中心黑洞也会合并。阿尔斯通说，如果这些碰撞是混乱的，它们不仅会导致更大的黑洞质量，还会导致它旋转的方式。

       黑洞膨胀的另一种方式是通过不断流入的气流。在这种情况下，产生的自旋可能会更快，就像IRAS 13224-3809的自旋看起来那样，尽管阿尔斯通说，现在下结论说这个特定的星系通过这个机制增加了质量还为时过早。

       最终，他和他的同事们希望使用混响映射来确定数百个附近超大质量黑洞的自旋——从而确定它们的形成历史，实际上是对这些物体进行普查。然后，基于这些黑洞有多远，科学家们可以观察星系是如何在宇宙的整个年龄增长的。