测量黑洞终极自旋，需前往太空

黑洞自旋的终极之谜

尽管黑洞常被描绘成吞噬一切（包括光线）的巨兽，但天文学家早已知道黑洞实际上在自转，而且转得极快。确定自转速度是理解黑洞如何影响其周边环境及所在星系的关键。弗吉尼亚大学的Tegan Thomas及其同事在arXiv预印本上发表的新论文，为此带来了好消息与坏消息：坏消息是，我们目前无法确定黑洞的实际自转速度；好消息是，未来几年内有望出现新工具来实现这一目标。

两种理论极限

关于黑洞最大自旋速度，存在两种主流理论。第一种由Kip Thorne在1970年代提出，认为黑洞最大自旋速度可达光速的99.8%——唯一的限制来自吸积盘辐射的光子对自转产生的反作用力。另一种由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Charles Gammie及其合作者在2004年提出，认为最大自旋速度仅为光速的93.75%，因为高度磁化的喷流会像刹车一样抑制黑洞的旋转，迫使其减速。

数十年来，这两种极限速度的争论一直未决。尽管近年来我们收集了大量关于黑洞物理性质的前所未有的数据，但能否就此终结争论？简单答案是：不能。

当前望远镜的局限

目前最强大的工具是事件视界望远镜（EHT），它曾在大约十年前拍下第一张黑洞直接图像。EHT通过协调全球射电望远镜阵列，形成连贯图像，分辨率可达20微角秒。为了检验EHT能否区分两种自旋速率，研究团队采用了先进的3D广义相对论磁流体动力学（GRMHD）模拟，对银心黑洞Sgr A*进行模拟，分别假设其以理论极限速度自转，并用类似视频游戏的射线追踪软件生成合成射电图像。

遗憾的是，在EHT分辨率下，这两种极限自旋的黑洞看起来完全一样：等离子体的整体吸积率几乎相同，相对论性喷流无法区分，光变曲线、线偏振和圆偏振信号也几乎完全重叠。

光子环：破解的关键

要区分两种模型，需要关注黑洞附近另一个更难探测的特征——光子环。在EHT图像中模糊的等离子体环内部，存在一个极薄但异常明亮的细圆环，这就是光子环。它由被黑洞引力束缚、绕行至少一圈后逃逸到地球的光线组成。如果传感器足够灵敏，就能捕捉到它的信号。但地球上没有任何传感器能达到约5微角秒的灵敏度。

太空望远镜BHEX的使命

幸运的是，我们或许很快就不必局限于地球上的传感器。Black Hole Explorer（BHEX）正是为此设计。该任务目前处于NASA小型探测器（SMEX）概念阶段，计划在未来十年内发射。它将在地球轨道上部署一台射电望远镜，与EHT的关键组件（如绿岸望远镜GBT或阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列ALMA）协同工作。通过将EHT基线延伸至太空，BHEX将形成足够大的干涉仪，直接观测Sgr A*的光子环。

一旦发射，BHEX将能精确测量光子环的形状，从而判断黑洞是否接近理论极限自转。即使我们本地的黑洞并非以最大速度旋转，这一观测也能为确定最大自转速率提供关键线索。

展望

这场持续数十年的争论可能在未来几年内迎来最终答案——但答案究竟是什么，仍有待观察。相关论文发表于arXiv（DOI: 10.48550/arxiv.2603.02520），由Universe Today报道。

原标题：To measure a black hole's ultimate spin, we have to go to space。 来源：phys.org。

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