不少科学家此前认定,旋转黑洞扭曲时空产生的信号,很难在地球上捕捉。一支由天文学家和物理学家组成的国际团队给出新思路:旋转黑洞会在途经附近的无线电波上留下可识别印记,现有灵敏度足够的射电望远镜有机会捕捉。这套办法既能帮助梳理星系演化脉络,也可以拿来检验广义相对论。

按照广义相对论,黑洞这类超大质量天体能够扭曲时空,弯折穿过附近的光线,也就是引力透镜效应。理论模型预测,旋转黑洞会拖拽周边时空形成漩涡,所有靠近的物质、光子,都会跟着一同转动。天文学家已经拿到间接证据,很多旋涡星系中心都存在超大质量黑洞,银河系核心同样被推测拥有一颗旋转黑洞。
但这个推断一直存在不确定性,人类还无法精确统计银河系内部物质总量。一部分研究者认为这颗黑洞转动极快,另一部分则判断它转速偏低,没有办法给出统一结论。

研究团队选择从无线电波入手。当无线电波的波阵面沿着垂直黑洞自转轴的方向靠近黑洞,一半波阵面顺着时空拖拽方向前进,另一半落在滞后的时空区域。辐射相位就此出现稳定差别,也就是波峰、波谷的位置分布发生偏移,依靠这个特征,就可以算出黑洞旋转速度。
研究人员搭建计算机模型,模拟银河系中心黑洞对应的相位分布。模拟结果显示,地面设备有机会捕捉对应的信号。如果架设无线电望远镜阵列,用多台设备分别观测波阵面不同片段,叠加之后比对相对相位,就能完成探测。位于新墨西哥的甚长基线射电望远镜阵列,具备开展观测的条件,两年之内就可以尝试绘制黑洞周边光子的相位分布。规划中的平方公里阵列,预计 2024 年投入运行,由数千根天线组成,会给这类观测提供更强支撑。

这项发现被团队视作针对大质量天体的关键突破。活跃星系核心黑洞的旋转,会加热星系内部气体,进而改变星系演化路径;拿到转速数据,可以加深对这类黑洞的理解。如果后续观测能够找到理论预测的相位分布,就会为广义相对论增加一条新证据;倘若没有捕捉到对应信号,则意味着引力理论或是尚未被发现的天体物理过程,还有补充修正的空间。
目前这套观测方案依旧存在门槛。想要完成测量,设备既要分辨极小一片空间,还要识别微弱的相位变化,超出现有超长基线阵列的能力上限。黑洞附近辐射亮度很高,X 射线、伽马射线的频率远高于普通无线电波,有研究者提出,使用高频仪器或许更容易采集信号。