绝大多数的星系中心都有一个超大质量黑洞，这些黑洞的形成演化是天体物理的重要问题。对黑洞自旋的研究有助于解开这一谜题。最近，我系的博士后张小霞、方陶陶教授，与国家天文台的陆由俊研究员、上海交通大学的王丹丹博士合作，预言了下一代X射线探测器对黑洞成长历史的限制能力。他们的研究表明，未来如eXTP、Athena这样的卫星，若能测量100个超大质量黑洞的自旋，就能对黑洞的吸积历史做出很好的限制。

宇宙中的大多数天体都具有角动量，同样，黑洞也可以是旋转的。黑洞旋转的快慢由自旋参量描述，自旋包含黑洞成长演化的重要信息。黑洞成长的主要方式是通过吸积周围气体，气体掉落方式的差异将导致截然不同的自旋演化。例如，持续的、沿同一方向的角动量注入会增大黑洞的自旋，而小片段的、方向随机的吸积会降低黑洞的自旋。因此，可以通过测量黑洞的自旋分布获得黑洞吸积历史的信息。

观测上，自旋可以通过相对论铁线的轮廓加以估计，铁线主要是由高温冕对吸积盘内区的照射产生的。广义相对论告诉我们，黑洞的自旋决定了吸积盘所能延伸的离黑洞最近的距离，即吸积盘的内边界。黑洞旋转地越快，内边界越小，铁线轮廓的相对论效应也就越明显，表现为谱线的增宽。利用这个原理，通过Chandra、XMM-Newton等X射线卫星，天文学家已经测量了二十多个超大质量黑洞的自旋。这个方法对类星体光谱的信噪比要求比较高，而且要求铁线有足够的强度，因此目前的自旋样本还十分不足，而且测量误差较大。

未来，我国预计于2025年发射eXTP空间天文台，它拥有最大面积准直和聚焦X射线望远镜阵列，可以将自旋的测量精度提高至10%-20%。由欧空局研制的Athena天文台预期2031年发射，它拥有最大的单口径聚焦X射线望远镜，自旋的测量精度可以达到0.04。另外，Lynx、STROBE-X 等未来探测器也将黑洞的自旋测量作为重要的科学目标之一。张小霞等人等工作为未来的自旋测量提供了理论支撑。目前该文章已发表在《天体物理学杂志》上。

图注：不旋转黑洞与旋转黑洞的吸积盘内边界差异（上）、以及对应的类星体X射线光谱的铁线特征（下）。图片来源：NASA/CXC/M.Weiss; Spectra: NASA/CXC/SAO/J.Miller et al.

文章链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2020ApJ...896...87Z/abstract