重新審視那個著名的黑洞

天文學(xué)家反復(fù)研究M87星系中的那個超大質(zhì)量黑洞后證實，它仍舊符合愛因斯坦理論的預(yù)測。

超大質(zhì)量黑洞M87*的兩張新圖像，分別拍攝于2017和2018年

你好，黑暗，我們的老朋友，又來看你了。

M87是一個距地球5500萬光年的巨大星系，它的中心是一團(tuán)直徑380億千米、質(zhì)量相當(dāng)于65億個太陽的黑暗——那是通往無盡的暗門，還有一個大家耳熟能詳?shù)拿?，“黑洞”?/p>

2017年，負(fù)責(zé)操作事件視界望遠(yuǎn)鏡（實質(zhì)是一張分布遍及全球的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)）的天文學(xué)家團(tuán)隊得到了M87星系中心黑洞的照片，這也是人類有史以來得到的第一張黑洞照片。照片里的黑洞看上去就像是一個稍微有些歪斜的滾燙甜甜圈，熱氣包裹著中間的黑暗空間，類似環(huán)繞著出水口的水。這幅圖景與阿爾伯特 · 愛因斯坦1915年提出的廣義相對論的預(yù)測完全一樣。2019年，這張照片正式公布，迅速登上了全球各地新聞媒體的頭版?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成了紐約現(xiàn)代藝術(shù)博物館的收藏品。

這個天文學(xué)家團(tuán)隊后來又拍了一張M87中心黑洞的照片，而且拍得更好。2018年，也就是在得到第一張照片一年后，這群天文學(xué)家又借助規(guī)模稍大一些的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)（于是就擁有了更高的分辨率）再次凝視M87中心的黑暗。2024年1月，第二張照片發(fā)布在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》（Aamp;A）期刊上，用更加“美味”的細(xì)節(jié)展示了同一塊甜甜圈以及中心黑洞，充分表明這些天文學(xué)家拍的第一張黑洞照片相當(dāng)準(zhǔn)確。

“第一張黑洞照片看上去與數(shù)學(xué)預(yù)測結(jié)果如此吻合，很難不讓人覺得是僥幸。”事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊中的哈佛大學(xué)物理學(xué)博士候選人多米尼克 · 張（Dominic Chang）在哈佛-史密森天體物理學(xué)研究中心（位于美國馬薩諸塞州坎布里奇，那里也是事件視界望遠(yuǎn)鏡的總部）的新聞發(fā)布會上說。

他還表示：“有機(jī)會用新望遠(yuǎn)鏡、新數(shù)據(jù)做新測試，并且看到同樣的黑洞結(jié)構(gòu)，證實了我們提出的最重要結(jié)論。這很關(guān)鍵。”

比較兩張照片，M87星系黑洞周圍的光環(huán)有所變化。相比前一年拍攝的第一張照片，第二張照片中，黑洞光環(huán)最亮的一塊逆時針偏移了大約30°。對此，天文學(xué)家則表示，他們早已料到這些熾熱的團(tuán)塊會移動。

博士后研究員布里特 · 杰特（Britt Jeter）在新聞發(fā)布會上說：“雖然廣義相對論預(yù)言，黑洞周圍光環(huán)的大小應(yīng)該在很大程度上保持穩(wěn)定，但黑洞周圍能量涌動的混亂吸積盤釋放的輻射會導(dǎo)致光環(huán)中最亮的部分圍繞某個共同中心擺動。實際上，我們可以通過持續(xù)跟蹤這種擺動現(xiàn)象的程度，檢驗我們關(guān)于黑洞周圍磁場和等離子體環(huán)境的理論?！?/p>

哈佛-史密森天體物理學(xué)研究中心研究員、事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織創(chuàng)始主任謝潑德 · 多勒曼（SheperdDoeleman）在電子郵件中補(bǔ)充說：“換句話說，M87中心的超大質(zhì)量黑洞的行為和我們預(yù)想的一模一樣?！?/p>

對愛因斯坦來說，黑洞是廣義相對論（這個理論將我們所說的引力歸結(jié)為時空幾何的扭曲）推導(dǎo)出的諸多棘手理論預(yù)測結(jié)果之一，同宇宙膨脹一樣。另一個棘手問題則是：如果特定半徑的空間（現(xiàn)在稱之為“視界”）內(nèi)集中了過多能量或物質(zhì)，這個空間就會坍縮成一個連光都無法逃脫的時空之洞，且永遠(yuǎn)無法恢復(fù)原樣。

愛因斯坦認(rèn)同數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的這些結(jié)果，但他認(rèn)為，相比這類奇奇怪怪的現(xiàn)象，大自然會有更好的選擇。然而，如今，科學(xué)家已經(jīng)知曉，宇宙中到處都是黑洞。諸如激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）這樣的實驗裝置甚至聽到了黑洞撞擊的聲音，而事件視界望遠(yuǎn)鏡則用視覺圖像直觀地表現(xiàn)了這類天體。許多黑洞都是恒星死亡（熱核燃料耗盡）后坍縮形成的產(chǎn)物，但目前看來，大多數(shù)星系的中心都存在一個質(zhì)量相當(dāng)于數(shù)百萬乃至數(shù)十億個普通恒星的巨型黑洞。這類黑洞是怎么形成的？天文學(xué)家仍在探索問題的答案。

可能大自然也有些怪癖，這類超大質(zhì)量黑洞中的兩個——M87中心那個和我們銀河系中心的黑洞——在地球天空中足夠明顯，事件視界望遠(yuǎn)鏡可以分辨出它們并且加以研究。2022年，我們銀河系中心黑洞Sgr A*（位于人馬座方向，距地球27 000光年）的照片首次亮相。

我們完全有理由期待未來看到更多黑洞這類末日天體的照片。多勒曼博士和他的團(tuán)隊計劃不斷吸納新望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入他們的望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，拍攝更多照片，最后創(chuàng)制一部黑洞電影。各大流媒體影視公司，羨慕吧？

資料來源 The New York Times

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本文作者丹尼斯·奧弗比（Dennis Overbye）是《紐約時報》知名撰稿人，主要創(chuàng)作物理學(xué)與天文學(xué)領(lǐng)域科學(xué)文章。