每秒自转将近1000次--逼近速度极限的黑洞

 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。