引力透镜发现最快自旋黑洞
通过引力透镜（gravitational lensing），来自每个类星体（quasars）的光的产生了多个它的图像。
Image credit: NASA/CXC/Univ. of Oklahoma/X. Dai et al.
就像海洋中的漩涡一样，宇宙中旋转的黑洞在它们周围形成一波“洪流”。不同的是，黑洞将产生的气体尘埃盘加热到数亿度而发出高能X射线。
利用NASA钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）的数据和一些星系的位置巧合，天文学家采用“引力透镜”来测量五个超大质量黑洞（supermassive black holes）的自旋（spin）。其中一个黑洞周围物质的旋转速度大于光速的70％左右。
引力透镜是一种自然现象。正如爱因斯坦所预测的那样，大质量物体（比如大星系）会使周围的时空弯曲，当它正好在我们与观测目标之间时，它强大的引力会弯曲来自目标的光，从而放大并产生多个目标的图像。
在这项新研究中，天文学家使用钱德拉和引力透镜来研究六个类星体，每个类星体都有一个超大质量黑洞在快速“吞噬”周围吸积盘（accretion disk）中的物质。通过这些“介入”的透镜星系，来自每个类星体的光都通过引力透镜产生了多个图像。多亏了钱德拉卓越的成像能力，这些透镜图像得以分离。
研究人员在这项研究中取得的关键进展是他们利用了“微透镜（microlensing）”：透镜星系中的各个恒星提供了额外的放大效果。更高的放大率意味着产生X射线的区域实际上更小。
比起不旋转的黑洞，旋转的黑洞在其周围拖动空间，使物质绕黑洞的轨道更小。利用这个特性，作者从他们的微透镜分析中得出结论：紧密的轨道对应较小的X射线发射区域，这些黑洞自转更快。
结果显示，有一个被称为“爱因斯坦十字（Einstein Cross）”的类星体，其中的黑洞正以可能的最大速率旋转。这个极限对应的事件视界（event horizon），即黑洞的“不归点”，以光速旋转，大约每小时十的十二次方米。观测目标中的另外四个黑洞平均转速大约是最大速率的一半，最后一个目标没有转速估计。
“爱因斯坦十字”的X射线来自吸积盘的一部分，面积不到事件视界的2.5倍。而对于其他四个类星体，X射线来自事件视界四到五倍大小的区域。
这些黑洞为什么转的这么快呢？研究人员认为，数十亿年来，这些超大质量黑洞很可能是从旋转方向相似的吸积盘上积累物质，而不是随机方向。就像推旋转木马一样，黑洞在吸积物质的过程中不断加快速度。
钱德拉检测到的X射线产生于吸积盘上数百万度的日冕（corona），这些X射线在吸积盘的内边缘反射，黑洞附近的强重力使反射的X射线光谱（X-ray spectrum，即不同能量X射线的分布）变形。在这项研究中，X射线光谱中看到的大量扭曲意味着盘内边缘必须靠近黑洞，这进一步证明它们必须快速旋转。
所观测的类星体距地球约88亿至109亿光年，黑洞的质量有太阳的1.6亿到5亿倍。这次结果是钱德拉用引力透镜对类星体进行过的最长观测，总曝光时间在1.7到5.4天之间。研究成果发表于7月2日的《天体物理学杂志》上，可在线获取。
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