透镜状星系揭示旋转黑洞

在距离地球 1.3 亿光年的星系 MCG-6-30-15 的中心，有一个黑洞。它的大小与火星轨道相当。恒星和恒星物质不断坠入这个黑洞——大量的物质，迄今为止相当于一亿个太阳的质量。从这个黑洞中，没有任何东西能够逃脱，甚至光也不行。它漆黑一片，像一条长隧道的入口。如果你乘坐飞船进入这个完美的黑暗周围的轨道，一旦你足够接近，甚至在你开始最终坠入黑暗之前，你会发现你不再能够控制。你会被一股不可抗拒的洋流所席卷，这不是旋转的气体或星尘，而是时空本身。

那是因为 MCG-6-30-15 中的黑洞正在旋转。当它旋转时，它会拖拽时空。

当然，没有飞船去那里进行过探测。这一切也无法从地球直接看到。从我们的星球上看，MCG-6-30-15 并没有什么特别之处。它是一个透镜状星系，一个透镜状的恒星团，没有我们银河系那种上镜的旋臂。“它非常平淡无奇，”剑桥大学天文学家安德鲁·法比安说，他已经研究它十多年了。“如果你用光学望远镜观察图像，你不会兴奋得跳起来。”但如果你用不同类型的望远镜观察这个星系，它就会活起来。当气体坠向中心黑洞时，在它永远消失在宇宙中之前，它会变得如此之热，以至于发出 X 射线，天文学家可以收集这些 X 射线并绘制成光谱图。

2002年，由德国图宾根大学的约恩·威尔姆斯领导的团队发表了MCG-6-30-15迄今为止最好的光谱图。它看起来也没什么特别的，只是一条数据点平缓倾斜的曲线，顶部有一个小小的尖峰。但这却是研究人员论文[pdf]中的图1——没有图2——尽管他们第一次看到时并没有真的兴奋得跳起来，但他们确实非常激动。“我们简直不敢相信这是什么，”威尔姆斯说。他及其同事声称，如果你能正确解读，这张图说明了一切。它代表着一个以接近光速旋转的巨大黑洞，它周围的时空像漩涡一样扭曲，追踪着这奇妙运动的荧光铁原子，如同漩涡水面上的落叶。

所有这些——还有一件事。这些铁原子的X射线辉光如此强烈，以至于仅靠引力加热无法解释。那个看似不起眼的小图表可能代表着一种新的宇宙能量来源的探测，这种能量来源在四分之一世纪前就被预测过，但从未被观测到。一些理论家认为，宇宙中很大一部分光，包括其最壮观的景象——从某些星系中以接近光速喷射出的辐射气体喷流——可能都是以这种方式产生的。它的基本原理是熟悉的；迈克尔·法拉第于1831年发现了它。但其背景至少可以说非常奇特。如果威尔姆斯和他的同事们是对的，那么MCG-6-30-15的中心不仅有一个黑洞，还有一个电磁发电机，它将旋转时空的旋转能量转化为光，就像汽车发动机上的交流发电机旋转时产生电力一样。

在法拉第之前，发电机曾被认为比黑洞更奇特；黑洞实际上更早被构想出来。英国约克郡的约翰·米歇尔牧师，他既是地质学家、天文学家，也是一名神职人员，于1784年利用牛顿物理学预言了黑洞的存在。对于牛顿来说，光是由有质量的粒子构成的，引力是巨大物体之间相互施加的一种力。一个物体质量越大、密度越大，逃离其引力所需的速度就越大。米歇尔计算出，一个比太阳大 500 倍、密度相同的恒星，其逃逸速度将达到光速。向上发射的光粒子会像地球上的箭或炮弹一样落回恒星表面。由于光永远无法从这样的恒星到达我们，它将显得完全黑暗。

这就是我们今天大多数人仍然持有的误解，认为黑洞仅仅是一个质量如此之大的恒星，连光都无法逃脱它。

现实更加令人不安，因为黑洞遵循爱因斯坦的规则，而不是牛顿的规则。从某种程度上说，爱因斯坦的规则，包含在他于 1915 年提出的广义相对论中，更具直觉性。牛顿引力是一种神秘的力量，不知何故从质量中发出并瞬时作用于遥远的距离，而在爱因斯坦看来，一个有质量的物体只是使其周围的时空结构弯曲。它从而弯曲了任何穿过时空的物体的路径，包括光。尽管光粒子（或光子）没有质量，这与牛顿的观点相反，但它仍然如此。

爱因斯坦与牛顿之间的鸿沟随着引力增强和空间曲率变得更加极端而扩大——黑洞是所有情况中最极端的。爱因斯坦本人从未相信它们能够存在。他坚信自然界有一种物理学家尚未发现的方法，可以保护我们免受他认为的他的理论的荒谬推论。然而今天，很难找到一个不相信黑洞的物理学家或天文学家。一个原因是，当足够多的质量集中在足够小的空间中时——例如，在一个耗尽核燃料的大恒星中——没有任何已知力量能够抵抗引力的内爆力。

根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞就是这样一个永无止境的内爆。它不仅仅是一颗黑暗的恒星；它是四维时空结构中的一个无限深洞。当一个大质量物体内爆并收缩到临界周长（称为事件视界）以下时，它就会形成，然后继续内爆，直到所有质量都集中在一个奇点中，这个点比亚原子粒子小得多。在那个点上，时空终结，引力变为无限。

科罗拉多大学天体物理学家米切尔·贝格尔曼说：“不要仅仅把黑洞看作一个引力极强的地方，而要把它看作一个时空结构不断被拉入黑洞的地方。”他是威尔姆斯论文的作者之一。“空间并没有静止在黑洞外部。它总是在被拉伸并拉入黑洞。”

时间也在被拉伸。如果你从遥远的飞船上观测一块钟表落入一个大型黑洞，你会看到它滴答作响的速度越来越慢，在事件视界处它会完全停止。如果你有一个朋友带着钟表，他向你发出光，你会看到光波像钟表的滴答声一样被拉伸。这被称为引力红移。一束最初是蓝色的光，随着接近事件视界，会变成红色，然后是红外线，最后是无线电波长。在那里，波长将变得无限长，光将熄灭。

你那位注定要倒霉的朋友对此将一无所知。在他的参考系中，他的时钟和他的蓝光将表现正常（这就是相对论）。他不会在事件视界处飞溅，因为它不是一个物质表面；他会不经意地穿过它。你绝望地让他回头的信息将跟随他进入黑洞，他将毫不费力地收到它们。也许他会用他自己的感人蓝色闪光回应。但那最后一条信息永远不会到达你。在事件视界内部，空间如此弯曲，以至于没有离开黑洞的路径存在，即使是光也不行。一旦你的朋友穿透视界，黑暗就会笼罩他。你将看不到他的命运——当他接近奇点时，他将被撕裂成组成他的粒子。

所以，黑洞就是这样：一个未来只能向内延伸，并带来不愉快后果的地方。现在，想象它正在高速旋转。

大多数黑洞至少会稍微旋转一点。恒星也会旋转，当一颗大质量恒星坍缩时，形成的黑洞必须旋转得更快，因为相同数量的角动量被压缩到更小的空间中。我们的银河系中可能漂浮着数百万个恒星黑洞，每个黑洞的质量是太阳的 5 到 10 倍，周长约 50 英里，每个黑洞或多或少地剧烈旋转——每毫秒一次左右是可能的。

人们认为，大多数星系的中心都潜伏着规模全然不同的黑洞，包括我们自己的星系和 MCG-6-30-15；最新估计，我们星系的黑洞质量相对较小，为 260 万个太阳质量。没人能完全确定这些庞然大物是如何形成的。也许是通过在拥挤的星系核心中恒星或恒星大小的黑洞螺旋碰撞形成的。无论如何，一个巨型黑洞将是旋转着诞生的，随着更多的恒星物质云螺旋坠入其中，将它们的角动量加入到黑洞自身的角动量中，它会加速。最终，根据理论，它的事件视界应该以接近光速的速度运动——这是上限。一个质量是太阳 1 亿倍的黑洞，比如 MCG-6-30-15 中的那个，其周长将超过 1 亿英里，但它可能每小时三刻钟旋转一次。

那么，被拖入这样一个黑洞并随之旋转的时空结构会发生什么呢？它会扭曲得如此剧烈和复杂，以至于撕裂，将恒星、行星和广义相对论理论家从宇宙中倾泻而出，进入超空间的冰冷虚无吗？可能不会。“我想你已经达到了‘结构’类比的极限了，”贝格尔曼说。他解释说，时空并非真正的结构；它只是对物质和能量可能运动的数学描述。黑洞将所有可能性拖向内部。一个旋转的黑洞首先会拖着它们旋转一段时间。在事件视界附近，这种拖拽力如此之强，以至于没有任何东西能够抵抗它。唯一可能的运动是与黑洞一起旋转。

思绪翻腾，渴望一个比喻，一根通往更熟悉经历的救生索。“如果你恰好悬停在视界之外，但仍然受到这种空间扭曲的影响，”贝格尔曼说，“那就像你在骑——让我想想另一个比喻——我想那可能就像一个漩涡。”

它像一个漩涡，但也像一个飞轮，因为宇宙中那团旋转的巨大能量实际上是可以提取的。

当约恩·威尔姆斯收到来自 MCG-6-30-15 的数据时，时空漩涡的图像并没有立即出现在他的电脑屏幕上。这些数据来自欧洲空间局运营的一颗名为 XMM-牛顿的卫星望远镜。（来自太空的 X 射线无法穿透地球大气层，因此必须在太空中收集。）XMM-牛顿处于一个椭圆形轨道，将其带到距离月球三分之一的距离；这使它能够长时间避开地球阴影，足以持续指向同一个微弱物体并收集光子超过一天。

2000年6月11日，1.3亿年前白垩纪早期离开MCG-6-30-15的X射线光子涌入XMM-牛顿的一端。它们掠过金镜，将光子聚焦到25英尺远的另一端的硅片上。这个电子探测器单独记录了每个光子。威尔姆斯在图宾根的办公室里收到的是一份包含数百万个独立光子的长列表，发布在一个网站上。它包括每个光子的能量和到达时间。数据再原始不过了。

如果没有一个关于你正在看什么和寻找什么的理论，你从这些数据中什么也看不到。整个星系 MCG-6-30-15 在天空中不过是一个点。然而，通过先前对其光谱的观测，结合大量的理论计算，天文学家们已经勾勒出了其核区强烈活动的图景。他们认为，中心黑洞被一个薄薄的气体盘所环绕，这些气体正螺旋状地向内坠入深渊。这个吸积盘的大部分相对较冷，“这意味着它的温度在数百万度，”威尔姆斯说。在这个温度下，它主要发出蓝色和紫外线光芒。

X射线必然来自更热的物质。理论认为它们来自一种稀薄、翻腾的电子和质子泡沫，称为日冕，它从吸积盘中心附近溅射出来。当蓝色和紫外线光子流过这种十亿度的泡沫时，它们与高速粒子反弹，从而被提升到X射线能量——整个X射线能量波段，或天文学家所称的连续谱。要达到十亿度，日冕必须非常靠近黑洞，以至于坠落的气体已经将其大部分引力能转化为热量。而且由于日冕很小，MCG-6-30-15的X射线辐射可以快速变化。“我们看到它的亮度在100秒内翻倍，”安德鲁·法比安说。“如果你通过X射线望远镜观察它，你会说，‘哇！’”

十多年前，法比安和他的同事们发现了一种方法，可以穿透这片闪烁的云层，几乎到达其黑洞核心的边缘。正是这种X射线光谱中奇特而微妙的特征，威尔姆斯团队一直在寻找。剑桥的研究人员意识到，一些来自日冕的X射线会反射回吸积盘，激发那里的铁原子。然后，其中一些铁原子会发出荧光，释放出它们自己的X射线——这次不是在整个波段，而是在能量光谱中一个精确的谱线：6.4千电子伏，这是电子从铁原子中的一个壳层落入较低壳层时损失的能量。

天文学家手中的这种发射线就像警察手中的雷达枪：它揭示了发射X射线的铁原子移动的速度。因为MCG-6-30-15中的铁原子正在移动，天文学家看到的谱线并不完全在6.4千电子伏。相反，X射线会发生多普勒频移，就像雷达束从一辆超速行驶的汽车上反弹回来一样（如果汽车朝雷达枪方向移动，雷达波击中雷达枪的频率更高；如果汽车远离雷达枪，则频率更低）。因此，X射线会向光谱的蓝色侧偏移，即“蓝移”到更高的能量，并且在吸积盘朝向地球的一侧强度增加。同样，在远离地球的一侧，它们会“红移”到更低的能量。当天文学家记录整个星系的单一光谱时，铁线会因这种多普勒效应而在两个方向上被模糊。同时，它也会发生引力红移，因为一些铁原子非常靠近黑洞，在那里时间本身以及所有光波都被拉伸了。

结果是，锐利的发射线被模糊成一个宽广、不对称的驼峰——驼峰越宽，铁的移动速度就越快，它离黑洞的距离也越近。法比安在1989年预测了所有这些。1994年，他与日本研究人员和日本X射线卫星ASCA合作，发现了MCG-6-30-15中存在宽广铁线的证据。威尔姆斯和他的同事们希望通过更敏感的XMM-牛顿望远镜获得更确凿的结果。

“我们从一开始就发现铁谱线是错的，”威尔姆斯说，“它比我们想象的要宽得多。”最初的兴奋之后是对他们是否理解自己的望远镜的担忧。“几乎每个月，我们都会经历恐慌，有人会提出一个校准问题，”马里兰大学帕克分校的克里斯·雷诺兹回忆道，他曾与法比安合作进行早期研究，也参与了这次与威尔姆斯的研究。“我们不得不重新进行整个分析。”

这项分析包括从理论上逐步构建一个MCG-6-30-15模型，以解释他们从真实星系中获得的数据。研究人员从一个只包含日冕连续X射线的模型开始；他们发现它在低能量处产生了过多的X射线，而在高能量处则不足。他们添加了一团距离黑洞几光年的温暖薄雾，以吸收一些低能量X射线。（这种薄雾似乎确实存在；正是它使得MCG-6-30-15在可见光下显得暗淡。）最后，他们添加了一条荧光铁线，它异常明亮且红移非常强烈，以至于它必定来自以接近光速掠过事件视界的铁原子。成功了。

“那几乎就像黑洞周围的一个炽热光环，”雷诺兹说。

为了让铁原子在MCG-6-30-15黑洞附近发出如此明亮的光，这个黑洞必须快速旋转。通过拖曳时空，旋转的黑洞允许气体在不坠入其中情况下，更靠近事件视界运行。如果铁原子发出如此明亮的荧光，这意味着黑洞吸积盘的标准模型存在问题。在这种观点中，吸积盘仅由引力能点亮，引力能通过摩擦转化为热量和光。但这样很难产生炽热的光环。“引力能逐渐释放，因此吸积盘发光区域相当扩展，”雷诺兹说。

“你不可能通过更快地将物质投入黑洞来产生更多能量，”威尔姆斯补充道，“你确实需要一些其他机制。”

“如果我们所见即我们所想，”贝格尔曼说，“那么这将意义重大。”

从黑洞中获取能量的新机制实际上并不新。罗杰·布兰福德和剑桥大学的罗曼·兹纳耶克在1977年提出了它。之所以能从黑洞（这个吞噬一切的家伙）中获取能量，是因为你检测到的能量从一开始就从未真正进入黑洞——它与黑洞旋转在事件视界之外产生的时空漩涡有关。

布兰福德和兹纳耶克意识到，磁场可以将旋转能量转化为电能。吸积盘由带电粒子组成，当粒子移动时，它们会产生磁场。从那时起，磁力线和气体倾向于粘在一起并一起移动。当气体坠入黑洞时，它会沿着磁力线移动。在布兰福德和兹纳耶克的理论中，这些磁力线从事件视界伸出，就像豪猪的刺一样。它们首先穿过时空漩涡，然后远远超出它，进入更平静的区域。漩涡不断地搅动这些磁力线。

磁力线从事件视界伸出，像豪猪的刺一样。

是迈克尔·法拉第发现了磁场穿过电导体，或反之，会发生什么——尽管他当然没有想到吸积盘的电离气体。“法拉第说，变化的磁通量会产生电动势——如果你愿意，可以称之为电压，”现在在斯坦福大学的布兰福德说。“这是简单发电机的基础。这里也是一样。我们有一个正在旋转的黑洞，所以它周围的磁场也在移动，这会产生电压。不过，这次的电压可以非常大。”理论上，黑洞两极和赤道之间的电压差可以达到数十亿万亿伏特。

你可以把磁力线看作是巨大电路中的导线，黑洞就是发电机；或者你可以把它们看作是弹性带，它们被旋转的黑洞带动，实际地将带电粒子抛射到遥远的宇宙空间。黑洞就像一个飞轮。当物质落入其中并增加其自转时，它会储存能量；当磁力线加速带电粒子时，它会再次释放能量并稍微减速。“可能发生的情况是，你将磁力线扭曲到一定程度，然后它们会弹回，”贝格尔曼推测。“然后你再次将它们扭曲，它们又会再次弹回。这会以一种不稳定且有点不可预测的方式发生，结果你将间歇性地提取能量。”

这种脉冲现象确实发生在宇宙喷流中，布兰福德和兹纳耶克发明他们的理论就是为了解释这种现象。喷流是从一些星系核心喷发出的狭窄气体流，它们以超过99%的光速传播，并深入星系间空间达数百万光年，然后扩散成宽广而明亮的光瓣。黑洞漩涡是如何产生这样一对水龙卷的呢？旋转的磁力线束将粒子从黑洞两极向外抛射，提供了一个自然的解释。然而，如果能有一些直接的观测证据来支持这一理论，那就太好了。布兰福德为此已经等待了四分之一世纪。

不幸的是，MCG-6-30-15 没有喷流。对于一个活跃星系来说，它相对平静。但它似乎确实有黑洞周围炽热的光环——目前，威尔姆斯和他的同事们说，这种光最可能的来源是某种由黑洞旋转驱动的电磁发电机。尽管这种机制的细节尚未确定，但现在很多人都有动力去研究它。“理论家们多年来一直在谈论这种过程，”雷诺兹说，“但直到现在，我们还没有真正的观测结果可以指出来说，‘我们认为我们有确凿的证据。’”

这些证据有多确凿？毫无疑问，威尔姆斯和他的同事们的观测在另一个意义上也是“艰难的”——正如贝格尔曼所说，“达到了我们当前技术的极限”。他们图1上唯一容易识别的东西是光谱顶部的那个小尖峰：那是铁谱线，就在它应该在的位置，大约6.4千电子伏。但它是未偏移的铁谱线，由远离黑洞的缓慢移动的铁原子产生。他们正在寻找的宽广铁谱线，因过度展宽而几乎是水平的，是覆盖在日冕连续X射线上方的额外层。因此，持怀疑态度绝非无礼。“区分特征和连续谱非常棘手，”约翰霍普金斯大学的朱利安·克罗利克说，他也是目前正试图弄清楚磁场如何将黑洞自旋能量转化为光的理论家之一。“我们都为此有点焦虑。”

更多的数据可能会消除这种焦虑。法比安的团队再次用 XMM-牛顿观测了 MCG-6-30-15——观测时间是威尔姆斯团队的三倍——在此期间，它变得明亮了两倍。他们也发现了一条宽广的铁谱线。法比安和密歇根大学的同事、天体物理学家乔恩·米勒从我们银河系中的一个恒星级黑洞记录到了一个惊人相似的光谱。“它看起来和 MCG-6-30-15 一模一样，”法比安说。

为了更清楚地观测黑洞附近铁线发射，欧洲和美国团队都在提议建造下一代超级X射线望远镜。如果其中一个或两个提案获得批准，新望远镜最早可能在2018年发射。

也许令人注目的是，对于如此奇特的现象，竟然能有任何观测证据。“我们正在检验黑洞理论中一些最奇特的预测，”贝格尔曼说。“甚至超出了它们自身可能存在的想法——即黑洞实际上可以抓住空间并将其扭曲，迫使附近的一切都旋转起来。”爱因斯坦本人甚至在理论原则上都无法接受第一个想法；现在科学家们正处于实际测量第二个想法的边缘。这并不意味着他们觉得想象一个时空漩涡比我们其他人更容易。

“我可以做数学运算，它就会自然而然地出现，”威尔姆斯说，“但我总是很难想象它。”