特大质量黑洞的自转
几乎每个星系的中心都拥有特大质量黑洞，它们的质量至少是太阳的数百万倍。由于这类天体的普遍性以及对周边环境的巨大影响，其意义不言自明，甚至可以认为很大程度上星系的面貌（至少是大型星系的面貌）就是由这些庞然大物塑造的。因此了解特大质量黑洞不仅可以帮助人们认识相对论物理，还可以大大增进对星系形成和演化的认识。
众所周知，黑洞“无毛”，只有质量、角动量（与自转相关）和电荷三种物理量仍有意义。在宇宙的环境中，就算黑洞初始带电，其电荷也会很快被中和掉，于是就只剩下质量和角动量二者。前者通过引力作用不难求得，后者的测量就需要费一些周折了。
对于黑洞的演化来说，角动量的测量有着极其重要的意义。现在人们并不清楚特大质量黑洞的形成渠道，主流模型有黑洞并合增长以及吸积增长两类。将这两种模型区分开来的有效手段就是自转：前者预言，很大一部分特大质量黑洞应该是具有中等速率自转的，而后者预言的黑洞自转要么很快，要么很慢（取决于黑洞的初始角动量与吸积物角动量之间的取向）。对于相对论物理来说，探讨强引力黑洞的自转更是可以提供其他渠道难以实现的实验场。
最近读过的Reynolds 2013一文正是总结了现有的特大质量黑洞自转测量。由于测量的原理有赖于黑洞周围吸积盘的性质，现在这类测量全部是在X射线波段对活动星系核进行的，已有22个较为确定的结果。
吸积盘的最内侧边缘可以视作是黑洞最内稳定圆轨道所在，具体位置与黑洞的自转有关，在其内的物体无法作稳定的轨道运动，而会最终以相对论性速度螺旋落入黑洞，坠落过程中能量和角动量近似保持守恒。现在的研究对象大抵属于中等吸积率的系统，其吸积盘可以近似为几何薄的形态，盘内物质基本遵循圆轨道作开普勒运动，不过在磁流体不稳定性的作用下，物质会逐渐内移。吸积物的角动量指向与黑洞的对称面当然存在并不重合的可能性，不过由于Lens-Thirring进动，盘面不大会出现明显的翘曲。
特大质量黑洞的吸积盘结构示意，ISCO表示最内稳定圆轨道的位置。（图片来源：Reynolds 2013）
上图中的105开尔文对应特大质量黑洞吸积盘内区的温度。这一区域对光子是不透明的，因此可以形成一个紫外波段附近的强峰，实际上这样的紫外峰是很多活动星系核光谱的主导成分。紫外峰之外，活动星系核的光谱往往还存在以幂律形式存在的X射线硬谱成分，它可以占据星系核总辐射能的一两成。这样的幂律谱可能是高能电子对紫外光子进行逆康普顿散射的结果，只能形成于光学薄的区域（也就是上图中的黄色部分），要么源自盘面上下由磁场加热的高温稀薄盘冕，要么是在喷流底部出现的。
这种X射线成分是关键所在。照射到吸积盘本身上的X射线光子有两种命运，它们要么被盘面表层的离子吸收，要么经由康普顿散射离开盘区，由此就形成了由散射连续谱与谱线组成的X射线反射谱，后者对应离子的去激发过程。反射谱具有6.4 keV处突出的铁元素Kα线以及软X射线能段一系列的氮、氧、氖、镁、硅、硫元素产生的发射线丛，在几十keV的硬X射线能段则由康普顿散射形成的宽阔鼓包主导。
在实际的星系核中，事情不仅仅是反射这样简单。吸积盘内区因为距离黑洞很近，这里的时空弯曲效应是不可以忽略的。如果黑洞存在自转，那么时空拖曳效应也必须加以考虑。由此观测到的光谱就是经过多普勒效应与引力红移效应修正后的结果。如果能够辨识出上述光谱特征，结合理论预言，就可以构筑出黑洞附近的引力模型，判断出包括内区边缘位置在内的吸积盘特性，进而求出黑洞的自转。
左：静止系中的X射线反射谱，其中红色虚线表示入射的幂律谱，蓝色实线表示反射谱。右：多普勒效应和引力红移修正后的能谱，红色虚线为入射谱，蓝色实线表示无自转黑洞的反射谱，黑色实线表示快速自转黑洞的反射谱，可见反射谱的低能段发射线丛被模糊成了准连续谱的形态。（图片来源：Reynolds 2013）
在实际操作中，除了常规的观测误差，必须要留意的是，如果活动星系核前方存在吸收X射线的云团，那么我们接收到的光谱可能与被相对论效应扭曲的反射谱无异。虽然这样的情况出现的概率并不大，但是也绝不可以忽略。另一个问题是关于吸积盘内边缘位置的。虽然数值模拟工作支持内边缘对应最内稳定圆轨道的假设，但不得不承认的是，现今人们对吸积盘的认识难称全面，纰漏在所难免。此外虽然在强引力场加快速自转的环境中，反射谱软X射线能段的发射线丛会模糊成鼓包状，但软X射线鼓包的成因并非只有这一种，因此在选择分析能段的时候，必须斟酌再三；对于一些单纯凭借软X射线数据估计出的黑洞自转参数，其正确性也值得商榷。
在这22个较为确定的自转测量中，有19个黑洞的质量得到了限定。考察这些黑洞不难发现，其中存在一个自转超快但质量偏小的族群，以及质量最大但自转速度只是中等的族群。其中前者可以认为是成长中的特大质量黑洞，高速自转可以归因为籍由吸积增加质量。而质量较大自转较慢的黑洞可能是多个前身黑洞并合的产物，自转在并合过程中彼此抵消。
通过X射线辐射来测量黑洞自转最大的限制在于观测时间。为了获取信噪比足够高的光谱，现有X射线望远镜必须进行长时间观测。如果运气足够好，待测黑洞正好身处引力透镜系统之中，那么从地球看去，就有可能形成多个被放大的影像，大大增加了观测的便利性。
活动星系核1RXSJ113151.6–123158的引力透镜形象，它由于身处一个椭圆星系的背后，化成了4个增亮的影像，方便人们对其黑洞的自转进行测量。（图片提供：X射线：NASA/CXC/Univ. of Michigan/R. C. Reis et al；可见光：NASA/STScI）
X射线光谱之外，测量黑洞自转的其他方法还有引力波观测、基于吸积系统辐射效率的假设根据辐射光度估算、基于Blandford-Znajek效应驱动的喷流系统假设根据喷流功率估算，以及对特大质量黑洞的视界结构进行甚长基线干涉观测等等。这方面的引力波观测有赖于入役时间尚不确定的空间干涉仪；而基于理论假设进行的估算可能存在理论与实际不符的情况，且所发现的规律确实与X射线测量结果不甚相符；最后一种方法只适用于邻近系统，不过以目前的进展来看前景还算明朗。
同时，未来的新型X射线观测设备灵敏度有望大大提高，从而光谱观测的效率会随之增长，从而让黑洞自转数据的样本扩大。对于了解特大质量黑洞的演化来说，这样的数据将是至关重要的。
