爱因斯坦广义相对论中最令人感到新奇的预测之一,就是黑洞的存在。当一颗大质量天体,如恒星等,变得非常致密到一定程度时,其重力如此之强,使得整个天体会塌缩成一个“奇点(singular point)”--就是“黑洞(black hole)”。哈佛史密松恩天文物理中心(Center for Astrophysics)天文学家Jeffrey McClintock等人测量一颗恒星型黑洞,发现它的自转速度高达一秒950圈,将自转可达的速度极限又在向上推进。
McClintock等人利用美国航太总署(NASA)的Rossi X射线时变探测器(Rossi X-ray Timing Explorer,RXTE)的观测资料,直接测量3个黑洞的自转速度。其中一个编号GRS 1915+105的微类星体(microquasar),自转速度高达理论预测可达最大速度的82%~100%,因此可合理解释黑洞为何会发出喷流、伽玛射线爆发(gamma-ray bursts)的起源、以及如何侦测到重力波(gravitational waves)等课题。
为什么黑洞的自转这么重要?因为,在天文上,黑洞可完全以2个基本物理参数来描述:质量,和自转速度。虽然天文学家已经成功地测量黑洞质量,可是自转速度的测量却很困难。这是因为由于黑洞的重力实在是太强了,使得黑洞自转时,也会拖着周围的空间跟着它转;这个自转黑洞的边界称为事件视界(event horizon),任何物质一旦落入事件视界的范围内,便会被拖往黑洞中,“永不超生”。所以,天文学家测量到的黑洞自转速率,通常是事件视界边界上的状况。
GRS 1915是目前20个已知的黑洞双星系统中最重的,质量约为太阳的14倍左右。它有一些相当独特的性质,例如有物质速度几近于光速的喷流,以及X射线辐射会快速变化等。天文学家已在X射线双星(X-ray binary)中发现数十颗黑洞。所谓的X射线双星是指双星系统中,其中一颗子星是像太阳一样的一般恒星,另一颗是黑洞或中子星等致密天体;正常伴星的表面物质会直接转移到这个致密的子星上,一边绕着这个致密子星旋转、一边渐渐向致密子星的表面落下,这个过程称为“吸积(accretion)”。在吸积过程中,物质会被加热到数百万度而辐射出X射线。McClintock等人就是利用黑洞吸积盘的X射线光谱来决定它的自转速度。
这个运算技术,其实是基于相对论预测的一个关键点:吸积到黑洞上的气体,只有在某特定半径外才会发出辐射,这个半径就是事件视界的范围;在事件视界以内,物质落入黑洞的速度太快,以致于无法产生足量的辐射,所以侦测不到。事件视界的半径只与黑洞自转速度有关;而半径愈小,吸积盘上发出的X射线愈热,温度再加上X射线的亮度资料,就可以算出事件视界半径大小,再藉以估计黑洞自转速度。这个概念相当简单易懂,不过若无RXTE等精密的太空望远镜帮忙,也无法达成目标。
这些天文学家目前认为GRS 1915和另外两颗高速自转的黑洞,是在原始正常恒星塌缩成黑洞的过程中,将角动量(ngular momentum)通通转移到体积奇小的黑洞上所致。就如同溜冰者将手臂张开时的自转速度较慢,可是一旦将手臂缩起,自转速度就会陡然变快一样。获得黑洞自转速度的这个关键物理因子,就如同获得圣杯一样,许多关于黑洞的谜题或许都可迎刃而解。