黑洞会旋转吗？| 发现杂志

在距离1.3亿光年的星系MCG-6-30-15的中心，有一个洞。它的大小与火星的轨道相当。恒星和星体物质不断地坠入这个洞中——大量的物质，到目前为止相当于一亿个太阳。从这个洞里，什么也

无法逃脱，甚至连光也无法逃脱；它漆黑一片，像一条长隧道的入口。如果你乘坐宇宙飞船围绕这片完美的黑暗轨道运行，一旦你足够接近，甚至在你开始最终坠入黑暗之前，你就会发现你不再受控制。你会被一股不可抗拒的洋流卷走，这股洋流并非旋转的气体或星尘，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，它会拖动周围的时空。

当然，没有宇宙飞船去那里查看。所有这一切都无法从地球上直接看到。从地球上看，MCG-6-30-15看起来并不起眼：它是一个透镜状星系，一个透镜状的恒星团，没有我们银河系特有的上镜螺旋臂。“它非常不起眼，”剑桥大学天文学家安德鲁·费边说，他已经研究它十年了。“如果你使用光学望远镜，只看图像，你不会兴奋地跳起来。”但如果你用不同类型的望远镜观察这个星系，它就会活跃起来。当气体坠向中心黑洞时，在它永远从宇宙中消失之前，它会变得非常热，以至于会发射X射线，天文学家可以收集这些X射线并在光谱上绘制出来。

由德国图宾根大学的约恩·威尔姆斯领导的团队最近发表了MCG-6-30-15迄今为止最好的光谱。它看起来也不怎么样，只是一条数据点缓慢倾斜的线条，顶部有一个小尖峰。但它是研究人员论文中的图1——没有图2——尽管他们第一次看到它时并没有兴奋地跳起来，但他们确实非常激动。“我们只是不敢相信这是什么，”威尔姆斯说。他和他的同事们声称，如果你读懂了这张图，它就说明了一切：一个以接近光速旋转的巨型黑洞，其周围的时空像漩涡一样扭曲，追踪着这种奇妙运动的荧光铁原子像旋涡中的树叶一样飘散。

所有这些——还有一件事。这些铁原子的X射线光芒如此强烈，以至于仅靠引力加热无法解释。那个不起眼的小图可能代表的是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到，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——以接近光速从某些星系中喷射出的辐射气体喷流——可能就是通过这种方式产生的。它的基本原理很熟悉；迈克尔·法拉第在1831年发现了它。但环境至少可以说是奇特的。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，就像汽车引擎顶部的交流发电机产生电一样。

在法拉第之前，曾有一段时间，发电机比黑洞更具异域风情；黑洞实际上是先被构想出来的。英国约克郡的牧师约翰·米歇尔（John Michell），一位地质学家、天文学家兼神职人员，在1784年使用牛顿物理学预测了它们的存在。对于牛顿来说，光是由有质量的粒子构成的，引力是质量物体之间相互施加的力。物体质量越大、越紧凑，逃逸其引力所需的速度就越大。米歇尔计算出，一个比太阳大500倍且密度相同的恒星，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这里，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。

现实更加令人不安，因为黑洞遵循爱因斯坦的规则，而非牛顿的规则。从某种意义上说，爱因斯坦的规则，即他在1915年提出的广义相对论理论所包含的规则，更直观。牛顿引力是一种神秘的力，它不知何故从质量中发出，并瞬时作用于远距离；而在爱因斯坦看来，一个大质量物体只是使其周围的时空结构弯曲。因此，它会弯曲任何穿过时空的事物的路径，包括光。尽管光粒子或光子没有质量，这与牛顿的想法相反。1919年，在一次日食期间，天体物理学家阿瑟·爱丁顿测量了太阳如何弯曲其身后恒星的光线。这一位移大约是两千分之一度，与爱因斯坦的计算相符，并在后来的测试中得到验证，证明爱因斯坦而非牛顿是对的。

黑洞解剖爱因斯坦广义相对论最奇异的含义之一是，当黑洞旋转时，它会带动时空（上图用绿色网格线表示）一起扭曲。最近对星系MCG-6-30-15的观测表明，其中心黑洞在一个巨大磁场内旋转，产生的能量就像一台发电机。这种能量促成了被称为“日冕”区域中旋转的铁原子和其他超热物质的明亮光芒。插图：马特·赞格

随着引力变得更强，空间曲率变得更极端——黑洞是所有极端情况中最极端的一种——爱因斯坦和牛顿之间的差距也随之增大。爱因斯坦本人从未相信它们能够存在。他坚信自然界有办法（物理学家尚未发现）保护我们免受他认为其理论荒谬推论的影响。然而，今天，很难找到一位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一个足够小的空间中时——例如在一颗耗尽核燃料的大恒星中——没有任何已知力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的洞。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，然后继续内爆，直到所有质量都集中在一个奇点——一个比亚原子粒子小得多得多的点——时，它就形成了。在那一点上，时空终结，引力变得无限。

“不要简单地把黑洞看作一个引力极强的地方，而应该把它看作一个时空结构不断被拉入黑洞的地方，”科罗拉多大学天体物理学家米切尔·贝格尔曼（Mitchell Begelman）说，他是威尔姆斯论文的作者之一。“空间并非静止地存在于黑洞之外。它总是在被拉伸并拉入黑洞。”

时间也在被拉伸。如果你从遥远的宇宙飞船上观察一个时钟坠入一个大黑洞，你会看到它走得越来越慢，在事件视界处它会完全停止。如果你那位不幸的朋友带着时钟向你发光，你会看到光波像时钟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，随着它接近事件视界，会逐渐变为红色，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，光线将消失。

你那注定要死的同伴对此将一无所知；在他的参考系中，他的时钟和他的蓝光会正常运行。（这就是相对论。）他不会在事件视界处粉身碎骨，因为它不是一个物质表面；他会穿过它而没有察觉到变化。你告诉他返回的绝望信号会跟随他进入黑洞，他会毫不费力地收到它们。也许他会用自己的一些动人的蓝色闪光回应。但那最后的信息永远不会到达你。在事件视界内，空间如此弯曲，以至于没有路径可以离开黑洞，即使是光也不行。一旦你的朋友穿透视界，黑暗就会笼罩他。你不会看到他的命运——当他接近奇点时，他会被撕裂成组成粒子。

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所以，这就是黑洞：一个未来只会向内延伸，结果令人不快的地方。现在想象它高速旋转。

大多数黑洞至少会稍微旋转一点。恒星也会旋转，当一颗大恒星坍缩时，形成的黑洞必然会旋转得更快，原因与旋转的花样滑冰运动员收拢手臂时速度加快的原因相同。我们的银河系中可能漂浮着数百万个这样的黑洞，每个黑洞的质量是太阳的5到10倍，直径大约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。

据信，我们自己的星系和MCG-6-30-15等大多数星系中心都盘踞着规模完全不同的黑洞；最新估算表明，我们的黑洞质量相对较小，约为260万个太阳。没人确切知道这些庞然大物是如何形成的。也许是通过过度拥挤的星系核心中恒星或恒星大小黑洞的螺旋碰撞。无论如何，一个巨大的黑洞将在旋转中诞生，随着更多的星体云螺旋坠入其中，将它们的角动量加入到黑洞中，黑洞的转速会加快。最终，理论认为，它的事件视界应该以接近光速的速度移动——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，周长将超过1亿英里，但它可能每小时四分之三转。

那些被卷入黑洞并因此被旋转的时空结构会发生什么？它会变得如此猛烈地扭曲以至于撕裂，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’这个类比的极限了，”贝格尔曼说。他解释说，时空并非真正的结构；它是物质和能量可能运动的数学描述。黑洞将所有可能性向内拖拽。一个旋转的黑洞首先会将它们拖拽一段时间。在事件视界附近，拖拽力如此之强，以至于没有任何东西能够抵抗它。唯一的可能运动是随着黑洞一起旋转。

思绪翻腾，渴望一个比喻，一个通向更熟悉经历的救生索。“如果你只是悬停在视界之外，但仍然受到这种空间扭曲的影响，”贝格尔曼说，“那就好像你骑在——让我再想一个类比——我想这可能就像一个漩涡。”

它像一个漩涡，但也像一个飞轮，因为宇宙中那片旋转区域储存的巨大能量实际上可能被提取出来。

宇宙的“不归点”哈勃太空望远镜拍摄的可见光和近红外图像显示，六个活跃星系中心的黑洞正在不断吞噬巨大的星际尘埃和气体漩涡。这些物质螺旋向内，剧烈升温，最终坠入黑洞的事件视界。由于事件视界与其所处星系的大小相比微乎其微，没有人见过它们；已知最小的黑洞据推测具有大约六英里宽的事件视界。作为参考，左上角的图像大约有6000光年宽。图片由俄亥俄州立大学/哈勃太空望远镜提供。

当约恩·威尔姆斯收到来自MCG-6-30-15的数据时，宇宙时空漩涡的图像并没有立即出现在他的电脑屏幕上。这些数据来自一颗名为XMM-牛顿的卫星望远镜，该望远镜于1999年发射，由欧洲空间局运营。（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-牛顿运行在一条延伸轨道上，它能飞到离月球三分之一的路程，这使得它能长时间避开地球的阴影，从而能够持续指向同一微弱天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-牛顿一端敞开的舱口。它们掠过金质镜面，将光子聚焦到25英尺外的另一端的硅晶圆上。这个电子探测器单独记录了每个光子。威尔姆斯在他的图宾根办公室收到的是一个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。数据不会比这更原始了。

如果没有你正在看和正在寻找什么理论，你是无法从这些数据中看到任何东西的。MCG-6-30-15，整个星系，在天空中不过是一个点。然而，通过之前对其光谱的观测，结合大量的理论计算，天文学家们已经勾勒出其核心剧烈活动的图像。他们认为，中心黑洞被一个薄薄的气体盘环绕着，气体正螺旋向内，走向毁灭。大部分吸积盘相对较冷，“这意味着它的温度高达数百万度，”威尔姆斯说。在这个温度下，它主要发出蓝色和紫外线光。

X射线必定来自更热的物质。理论认为它们来自一片稀薄、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穿过这个十亿度的高温泡沫时，它们会与高速粒子发生碰撞，从而被提升到X射线能量——整个X射线能带，天文学家称之为连续谱。要达到十亿度，日冕必须非常接近黑洞，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射线辐射可以迅速变化。“我们看到它的亮度在一百秒内翻倍，”安德鲁·费边说。“如果你通过X射线望远镜观察它，你会说，‘哇！’”

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十多年前，费边和他的同事们发现了一种方法，可以透视这片闪烁的云层，几乎到达其黑暗核心的边缘；威尔姆斯小组正是寻找X射线光谱中这种奇特而微妙的特征。剑桥研究人员意识到，来自日冕的一些X射线会反射回吸积盘，并激发那里的铁原子。其中一些铁原子随后会发出自己的荧光X射线——这次不是覆盖整个波段，而是在能量谱中的一个精确谱线：6.4千电子伏特，这是电子从铁原子中的一个壳层落到较低壳层时损失的能量。

天文学家手中的“发射线”就像警察手中的雷达枪：它能揭示发出X射线的铁原子正在以多快的速度运动。由于MCG-6-30-15中的铁原子正在运动，天文学家看到的谱线并非正好在6.4千电子伏特。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（如果汽车向雷达枪驶来，雷达波击中雷达枪的频率更高；如果汽车驶离雷达枪，频率则更低）。因此，X射线会向光谱的蓝色一侧移动，或“蓝移”到更高的能量，并且在朝向地球的吸积盘一侧会增强；而在远离地球的一侧，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向两个方向模糊。同时，它也会发生引力红移，因为一些铁原子非常接近黑洞，在那里时间本身以及所有光波都被拉伸了。

最终结果是，尖锐的发射线被模糊成一个宽阔、不对称的驼峰——驼峰越宽，铁的运动速度就越快，离黑洞的距离就越近。天文学家安德鲁·费边在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-牛顿获得更具说服力的结果。

“我们从一开始就发现铁线是错误的，”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，我们都会遇到这些恐慌发作，有人会提出校准问题，”马里兰大学帕克分校的克里斯·雷诺兹回忆道，他曾与费边合作进行早期研究，并与威尔姆斯合作进行这项研究。“我们不得不重新进行整个分析。”

该分析包括逐个理论构建MCG-6-30-15的模型，以解释他们从真实星系获得的数据。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远的温暖薄雾，以吸收一些低能量X射线。（这团薄雾似乎确实存在；它使MCG-6-30-15在可见光下显得黯淡。）他们补充了直接来自日冕的X射线，以及首先从吸积盘反射回来的X射线——结果发现它们仍然不足。最后，他们添加了一条荧光铁线，它异常明亮并强烈红移，以至于它必须来自以接近光速在事件视界上方划过的铁原子。搞定了。

“那简直就像黑洞周围的一个炽热光环，”雷诺兹说。

要使MCG-6-30-15中如此接近黑洞的铁原子如此明亮，黑洞必须快速旋转。通过带动周围的时空，一个旋转的黑洞允许气体在不坠入的情况下更靠近事件视界运行。如果铁原子如此明亮地发出荧光，这意味着黑洞吸积盘的标准模型存在问题。在该模型中，吸积盘仅由引力能照亮，引力能通过摩擦转化为热量和光。但以这种方式很难产生炽热的光环。“引力能是逐渐释放的，因此吸积盘发光区域相当广阔，”雷诺兹说。

“你无法通过加速物质坠入黑洞来产生更多的能量，”威尔姆斯说。“你真的需要其他机制。”

“如果我们看到的是我们认为我们正在看到的东西，”米奇·贝格尔曼说，“那么这将非常重要。”从黑洞中获取能量的新机制并非真正的新事物。剑桥大学的罗杰·布兰德福德和罗曼·兹纳杰克在1977年提出了它。而你能从黑洞中获取能量的原因，这个吞噬万物的黑洞，是由于你探测到的能量从未真正进入黑洞——它与黑洞旋转在事件视界外产生的时空漩涡有关。

像黑洞一样旋转产生电力

布兰德福德和兹纳杰克意识到，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。在布兰德福德和兹纳杰克的理论中，这些磁力线像豪猪的刺一样从事件视界中伸出。它们首先穿过时空漩涡，然后远远超出漩涡进入更平静的区域。漩涡会搅动这些磁力线。

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是迈克尔·法拉第发现了当磁场穿过电导体或反之亦然时会发生什么——尽管他当然没有想到吸积盘中的电离气体。“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，”现在在加州理工学院的布兰德福德说。“这是简单发电机的基础。这里也是一样的。我们有一个正在旋转的黑洞，所以它周围的磁场在移动，这产生了电压。然而，这次的电压可能非常大。”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。

你可以把磁力线看作是巨大电路中的电线，黑洞是发电机；或者你可以把它们看作是橡皮筋，当它们被旋转的黑洞甩动时，它们实际上将带电粒子抛射到遥远的太空中。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，然后它们会弹回来，”贝格尔曼推测。“然后你再次扭曲它们，它们又会弹回来。这会以不稳定和有些不可预测的方式发生，结果你会在间歇性地提取能量。”

这种脉冲现象当然发生在宇宙喷流中，布兰德福德和兹纳杰克正是为了解释宇宙喷流才发明了他们的理论。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%光速的速度传播，并深入星系际空间达数百万光年，然后扩散成宽阔的发光星系瓣。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，如果能有直接的观测证据来支持这一理论就更好了；布兰德福德为此已经等待了四分之一个世纪。

不幸的是，MCG-6-30-15没有喷流。作为一个活跃星系，它相对平静。但它似乎确实有那个围绕黑洞的炽热光环——威尔姆斯和他的同事们说，目前，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。这种机制的细节尚未明确——现在很多人都积极投入研究。“理论家们已经讨论这种过程多年了，”雷诺兹说。“但直到现在，从未有过你可以指着说‘我们认为我们有确凿事实’的观测证据。”

这些事实有多确凿？毫无疑问，威尔姆斯及其同事的观测在另一种意义上是困难的——“处于我们当前技术的极限，”正如贝格尔曼所说。他们的图1上唯一容易识别的东西是光谱顶端的小尖峰：那是铁线，就在它应该在的地方，大约在6.4千电子伏特。但那是**未偏移的**铁线，由远离黑洞的缓慢移动的铁原子产生。他们正在寻找的宽铁线，由于其极度宽广，几乎呈水平线，是覆盖在日冕连续X射线之上的一个额外层。因此，持怀疑态度绝不失礼。“很难分辨什么是特征，什么是连续谱，”约翰霍普金斯大学的朱利安·克罗利克说，他是目前正在试图弄清磁场如何将黑洞自旋能转化为光的理论家之一。“我们都对此有点焦虑。”

更多数据可能很快消除这种焦虑。费边团队最近再次使用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，它亮度增加了两倍；他们也发现了宽铁线。去年秋天，费边和麻省理工学院的同事、天体物理学家乔恩·米勒记录到我们银河系中一个恒星质量黑洞的异常相似光谱。“它看起来与MCG-6-30-5一模一样，”费边说。

也许最引人注目的是，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。“甚至超越了它们本身能够存在的想法——黑洞能够抓住空间并扭曲它，迫使附近的一切都旋转起来的想法。”爱因斯坦本人甚至从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。但这并不意味着他们发现它比我们其他人更容易想象一个时空漩涡。

“我能算出结果，它就出现了，”威尔姆斯说，“但我总是在想象它时遇到大麻烦。”

两台X射线望远镜优于一台

照片：从上到下，由STSCI/NASA提供；由欧洲空间局提供。

XMM-牛顿（右下）并非唯一一台窥探剧烈X射线宇宙的望远镜。NASA自己的五吨级主力设备是轨道运行的钱德拉X射线天文台（右上），于1999年7月发射。与欧洲的对应物一样，钱德拉的轨道也是拉长的，它从地球表面上方约6000英里摆动到近87000英里远。钱德拉和XMM-牛顿都能探测到各种X射线源，从超新星遗迹的“软”低能量辐射到黑洞和中子星的高能射束。（另一颗卫星，NASA的罗西X射线时序探测器，则监测这些天体的超高能信号。）那么，为什么要有两台大型天文台呢？“它们实际上是互补的，”史蒂夫·斯诺登说，他是NASA戈达德太空飞行中心XMM-牛顿客座观测设施的天文学家。钱德拉的四套X射线反射镜比XMM-牛顿的174个嵌套镜更平滑，形状和对齐也更精确。“它有更清晰的视野。它能够分辨天空中更精细的物体，”斯诺登说，并能识别超新星遗迹和星团等复杂结构中的细节。但XMM-牛顿镜面的大表面积能接收五倍的X射线，并能观测到更大的天空区域，“因此它对于观测大型结构非常有用，”斯诺登补充道。——凯茜·A·斯维蒂尔