這張來自視界望遠鏡的圖像顯示了附近星系梅西埃87內部的中心黑洞。

       在震驚世界的巨大努力中，科學家們去年公布了第一張黑洞的直接圖片，讓人類能夠看到存在于怪物胃尖的東西。現(xiàn)在，天文學家已經使用了一種不同的技術，包括x射線“回聲”來觀察這些重力巨獸中的一個。

       聚焦的黑洞停在一個名為IRAS 13224-3809的星系中間，該星系位于大約十億光年之外。超大質量物體被百萬度物質的旋轉圓盤包圍，并被溫度超過十億度的x射線日冕覆蓋。通過繪制這些x射線的行為，科學家們繪制了一張黑洞視界周圍區(qū)域的極其詳細的地圖，在這個區(qū)域之外，光都無法逃脫。

       劍橋大學的威廉·奧爾斯頓說:“黑洞本身不會發(fā)光，所以我們研究這一現(xiàn)象的唯一方法是觀察物質落在上面時會發(fā)生什么。”自然天文學。

       這是一個比事件視界望遠鏡更精確的測量，事件視界望遠鏡產生了去年的黑洞圖片，可以制造出一個如此遙遠的物體。IRAS 13224-3809黑洞的新測量幫助科學家確定了它的質量和自旋，這些性質可以揭示黑洞演化的重要線索。如果可以對附近更大數量的超大質量黑洞進行類似的測量，它們將有助于科學家了解星系是如何生長的。

       阿爾斯通說:“了解許多星系中黑洞的自旋分布，可以告訴我們如何從早期宇宙走向今天我們看到的人口。”。

回聲映射

       盡管這個名字無關痛癢，IRAS 13224-3809卻是x射線天空中最令人興奮的星系之一:它是一個活躍的星系，意味著它最里面的區(qū)域比單獨用恒星所能解釋的更加明亮，它的x射線亮度波動50倍，有時僅僅幾個小時。阿爾斯通和他的同事選擇研究這個特殊的星系，因為他們想要一個動態(tài)的、波動的來源，可以幫助他們確定中心超大質量黑洞的特定性質。

       為此，阿爾斯通和他的同事們使用歐洲航天局的XMM-Newton航天器研究了紅外輻射系統(tǒng)13224-3809。XMM-Newton是一架用x光研究宇宙的繞地望遠鏡，在2011年至2016年間，他在總共550多個小時的16個軌道上凝視著這個遙遠的星系。

       從這幾個小時的數據中，阿爾斯通和他的同事們組裝了一張超大質量黑洞的x射線日冕和吸積盤的地圖，這是一個在視界之外的旋渦物質環(huán)。一些發(fā)射的x射線直接射向宇宙，但另一些射向吸積盤，需要一點時間才能離開布魯斯的周圍環(huán)境。

       “額外的路徑長度導致最初在日冕中產生的x射線之間的時間延遲，”阿爾斯通解釋道。"我們可以測量回聲——這個時間延遲——我們稱之為混響."

       這項被稱為混響映射的技術幫助科學家探測黑洞周圍的氣體物質。阿爾斯通將這一過程比作回聲定位，在回聲定位中，蝙蝠等動物從物體上反射聲音來幫助它們在飛行中導航。此外，與事件視界望遠鏡用來合成附近黑洞圖像的過程不同，混響映射可以用來研究遙遠的物體，探測距離事件視界更近的區(qū)域。

       “混響映射根本不依賴于空間分辨率，”佐治亞州立大學的米斯迪·本特說，他用同樣的技術研究遙遠的黑洞。“相反，它利用物體內部的光回波來告訴我們結構，甚至非常小和非常遠的結構。”

驚人的旋轉

       從IRAS 13224-3809捕獲的光回波使得阿爾斯通和他的團隊能夠確定黑洞周圍物質的精確幾何形狀，包括為這些回波提供能量的動態(tài)x射線冕的尺寸。該小組然后可以利用這些信息來計算黑洞的質量和自旋，這兩個屬性不會隨著人類時間尺度而波動。

       阿爾斯通說:“為了測量黑洞的質量和自旋，我們需要在氣體落入黑洞之前準確知道它在哪里。”�？茖W家以前曾使用這種技術研究超大質量黑洞，但這些觀測既不像IRAS 13224-3809那樣冗長，也不像IRAS 13224-3809那樣來源多變。

       基于新的映射，該團隊得出結論，這個超大質量黑洞包含多達200萬個太陽的質量，并且它正在以盡可能快的速度旋轉，而沒有違反物理定律。Bentz沒有參與這項工作，他說作者廣泛的觀察使結果非常有說服力。

       “作者進行了16次相同的實驗，這比以前的任何研究都要多，”本特說。"這真的幫助他們確定了沒有改變的部分."

       阿爾斯通和他的團隊還組裝了一幅動態(tài)圖像，顯示了x射線電暈包裹黑洞是如何隨時間變化的，其大小在一天內會有一些戲劇性的變化。

銀河種子

       宇宙中的每個大星系都可能錨定在一個中心超大質量黑洞中。破譯這些錨自旋的方式可以為它們和它們的宿主星系如何在宇宙時代形成和進化提供線索。

       “我們不知道超大質量黑洞是如何形成的，”阿爾斯通說。“這些在早期宇宙中的種子是什么？我們目前的大多數模型預測種子太小，實際上它們長得不夠快。”

       星系形成的一種方式是多個小星系碰撞并融合。當這些星系合并時，它們的中心黑洞也會合并。阿爾斯通說，如果這些碰撞是混亂的，它們不僅會導致更大的黑洞質量，還會導致它旋轉的方式。

       黑洞膨脹的另一種方式是通過不斷流入的氣流。在這種情況下，產生的自旋可能會更快，就像IRAS 13224-3809的自旋看起來那樣，盡管阿爾斯通說，現(xiàn)在下結論說這個特定的星系通過這個機制增加了質量還為時過早。

       最終，他和他的同事們希望使用混響映射來確定數百個附近超大質量黑洞的自旋——從而確定它們的形成歷史，實際上是對這些物體進行普查。然后，基于這些黑洞有多遠，科學家們可以觀察星系是如何在宇宙的整個年齡增長的。