科学家提出探测旋转黑洞新方法

2011-2-15 10:39 来源: 科技日报
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测定黑洞附近光线变化的途径是关键

  一些科学家认为,由旋转黑洞造成的时空扭曲在地球上是无法探测的。据《自然》杂志网站2月13日报道,一个天文学者和物理学家组成的国际研究小组发现,旋转黑洞会在经过其附近的电波上留下印记,可被当今最灵敏的射电望远镜探测到,从而能更多了解有关星系进化的情况,并对爱因斯坦的广义相对论进行检验。相关研究发表在近期出版的《自然—物理学》(Nature Physics)上。

  广义相对论认为,大质量目标如黑洞会扭曲时空,使经过它的光线路径发生弯曲,这称为引力透镜效应。根据这一理论预测,旋转黑洞会将周围时空向内吸附生成一个漩涡,迫使附近所有物体包括光子,随着它旋转。天文学家目前已有间接的证据证明许多旋转星系的核心都有一个超大质量黑洞。比如银河系,根据其内部恒星的速度分布来看,它核心也应该有一个旋转黑洞。但这只是一个不确定的推断,因为人们不能确切知道银河系到底包含了多少物质。有些人认为黑洞旋转得非常快,而另一些认为旋转得很慢。

  意大利帕多瓦大学天文学家法布里其奥·坦布里尼和同事认为,可以通过测定黑洞附近光线变化的途径,更直接地探测到旋转黑洞。研究人员解释说,无线电波的波阵面在星际空间传播,以垂直于黑洞旋转轴的方向接近黑洞时会被扭曲,半个波阵面将随同其前面的时空方向运动,另外半个波阵面以滞后的时空方向运动,这会在空间中产生明显的辐射相位(波峰和波谷的位置分布),由此可以更精确地测定黑洞旋转速度。

  他们通过计算机模拟,构建了银河系黑洞的相位分布模型,竟然发现从地面上应该能探测到黑洞的旋转。研究人员说,如果在银河系中心部署一个无线电望远镜阵列,用不同的望远镜观察不同部分的渐进波阵面,将这些部分互相叠加计算它们的相对相位,应该能探测到银河系中心的黑洞。如果使用现有的无线电望远镜阵列,如位于新墨西哥的甚长基线射电望远镜阵列,两年之内将能算出黑洞周围光子的分布相位。这是一个计划中的由数千架天线构成的平方公里阵列国际项目,计划于2024年开始运行,将对研究黑洞非常有用。

  坦布里尼表示,对于宇宙中绝大部分大质量目标来说,这是“根本性的重要发现”,研究活跃星系核心的黑洞旋转能加强天文学者对这些活跃黑洞的理解。由于这些黑洞的旋转会加热星系,从而可能改变它们的进化。

  德克萨斯大学天体物理学家理查德·麦茨纳也认为,测量黑洞能更好地理解黑洞附近的情况,如果观察到坦布里尼小组研究的相位分布方式,可以为广义相对论提供证据。如果没有,可能意味着我们要去寻找另一种引力理论,或此前未曾发现的天体物理过程。

  但他担心目前的无线电望远镜还不够敏感,未必能满足观察要求。测量不仅要把空间中的极小部分绘制出来,还要能测量通过该部分的相位变化,这可能超出了超长基线无线电阵列的能力。而且,来自黑洞附近的辐射会非常亮,如那些X射线或伽马射线频率很高,不是普通光线或无线电波,用高频仪器操作可能会更容易探测。他还指出,由于X射线和伽马射线会被大气吸收,可能还要发射一个新的太空基地观测站。