一張黑洞照片揭示的宇宙秘密

葉昊

2019年4月10日，科學(xué)家公布了首張黑洞照片，這也是人類第一次見(jiàn)到黑洞究竟是什么樣的。而在黑洞那邊，科學(xué)家有充足的理由相信，黑洞早已記錄了宇宙的歷史。那么科學(xué)家是如何得出這一推論的？這得從黑洞照片的解讀開(kāi)始。

黑洞照片透露出的信息

人類首張黑洞照片里的主角是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)的70億倍。正如物理理論所預(yù)測(cè)的那樣，黑洞的引力大到連光線都無(wú)法逃脫，所以照片中的黑洞確實(shí)是一片漆黑。

不過(guò)，黑洞周圍的光環(huán)是什么？黑洞周圍的光環(huán)是黑洞吸住的物質(zhì)所發(fā)出的電磁波，以及黑洞所扭曲的背景電磁波。盡管在靠近黑洞非常近的地方，黑洞會(huì)吸入包括光線在內(nèi)的任何物質(zhì)，但是如果距離夠遠(yuǎn)的話，那里的引力就只是能夠吸住物質(zhì)（但不會(huì)立即吸入它們），光線也可以逃離黑洞。被黑洞吸住的物質(zhì)會(huì)形成吸積盤(pán)，然后通過(guò)相互摩擦等方式獲得能量，并因此產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)，然后向外發(fā)射電磁波。

另外，來(lái)自黑洞背后的背景里其他星系的電磁波在經(jīng)過(guò)黑洞時(shí)，靠近黑洞的會(huì)被黑洞吸入，而離黑洞較遠(yuǎn)的電磁波會(huì)被黑洞的引力向里扭曲。這股被扭曲的電磁波會(huì)與前面剛提到的逃離電磁波匯聚到一起，并繼續(xù)前進(jìn)，然后被人類的探測(cè)器探測(cè)到，并調(diào)整成可見(jiàn)光，隨后照片中的光環(huán)便形成了。

那么照片中光環(huán)為什么是上面模糊、下面亮，而不是上下亮度平均？盡管科學(xué)家們?cè)诤诙词欠窬哂凶赞D(zhuǎn)這一問(wèn)題上還有爭(zhēng)議，但他們肯定的是，被黑洞吸住的物質(zhì)會(huì)以接近光速的速度并根據(jù)某一根通過(guò)黑洞的旋轉(zhuǎn)軸繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。根據(jù)廣義相對(duì)論，對(duì)于朝向我們一側(cè)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)所發(fā)射的電磁波，我們所探測(cè)到的強(qiáng)度會(huì)更強(qiáng);而對(duì)于遠(yuǎn)離我們一側(cè)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)物質(zhì)，我們探測(cè)到的電磁波強(qiáng)度會(huì)較弱。因此拍下的照片就會(huì)形成光環(huán)亮度不平均的現(xiàn)象。這次拍到的照片，下面的物質(zhì)靠近我們，上面的物質(zhì)遠(yuǎn)離我們;未來(lái)我們也可能會(huì)見(jiàn)到上方明亮，下面模糊的黑洞光環(huán)照片。

科學(xué)家在初步研究完M87星系的黑洞照片之后，利用廣義相對(duì)論和磁流體力學(xué)，建立了多個(gè)黑洞旋渦模型，這些模型向科學(xué)家展示了物質(zhì)圍繞著黑洞進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的樣子是怎樣的。然而，所有的模型都顯示，黑洞模糊的光環(huán)中理應(yīng)還有一個(gè)非?！懊髁痢?、且薄的圓環(huán)，但是黑洞照片中沒(méi)有這個(gè)圓環(huán)的任何痕跡?？茖W(xué)家對(duì)此非常在意，因?yàn)檫@個(gè)圓環(huán)記錄了宇宙的歷史。

那個(gè)缺失的黑洞“光盤(pán)”有什么意義？

那個(gè)非常明亮且薄的圓環(huán)是一個(gè)完全由光子所構(gòu)成的光環(huán)。光子在經(jīng)過(guò)黑洞某個(gè)距離的時(shí)候，那里的引力大得足以抓住它們，但又不足以立即把它們吸到黑洞當(dāng)中，于是它們就圍繞著黑洞旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還被黑洞緩慢地拉近。但是這些光子的旋轉(zhuǎn)速度非?？?，以至于被“壓縮”成一個(gè)非常明亮且薄的圓盤(pán)，于是乎，這樣一個(gè)“光盤(pán)”就形成了。

理論模型還顯示，這個(gè)圓環(huán)還細(xì)分成不同的層次，換而言之，這個(gè)圓環(huán)由無(wú)限的嵌套光子環(huán)組成。這有點(diǎn)類似于土星的圓環(huán)，只不過(guò)黑洞的圓環(huán)更大，且層次更多。另外，這些光子來(lái)自不同的宇宙時(shí)期，其中甚至還有可能包括了來(lái)自宇宙剛剛爆炸時(shí)所產(chǎn)生的光子。一般來(lái)說(shuō)，在這個(gè)圓環(huán)當(dāng)中，越靠近里面的光子的歷史也就越久，越靠近外圍的光子也就越年輕。

科學(xué)家認(rèn)為，如果能對(duì)這個(gè)圓環(huán)進(jìn)行記錄和研究，這不僅有助他們了解宇宙歷史和宇宙的演變過(guò)程，有望知道宇宙大爆炸的那一瞬間究竟發(fā)生了什么，還有助于他們進(jìn)一步理解時(shí)間和空間是什么。

除此之外，科學(xué)家還能利用圓環(huán)來(lái)方便且更精確地計(jì)算黑洞的質(zhì)量，因?yàn)閳A環(huán)的亮度和厚度跟黑洞的質(zhì)量密切相關(guān)。通常來(lái)說(shuō)，黑洞的質(zhì)量越大，圓環(huán)也就越薄和越亮。而目前，科學(xué)家認(rèn)為用來(lái)計(jì)算黑洞質(zhì)量的技術(shù)的準(zhǔn)確率只有15%左右，如果能加入圓環(huán)數(shù)據(jù)的話，那么準(zhǔn)確率或許可以提高至98%。

等待下一張照片

這么重要的光環(huán)，怎么沒(méi)有拍到呢？

科學(xué)家分析后認(rèn)為，可能目前的天文望遠(yuǎn)鏡還不夠精確和靈敏。于是，科學(xué)家打算在未來(lái)多發(fā)射兩臺(tái)更為先進(jìn)的太空望遠(yuǎn)鏡，它們分別是2030年的sperktr-M和2035年的“起源太空望遠(yuǎn)鏡”。這兩臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡都會(huì)被送到拉格朗日點(diǎn)L2當(dāng)中。

拉格朗日點(diǎn)L2是這樣一個(gè)點(diǎn)，它處于太陽(yáng)和地球的連線上，而處于這個(gè)點(diǎn)的物體離地球足夠遠(yuǎn)，但又不至于逃離地球，飄向宇宙，它依然會(huì)跟地球綁定在一起。在拉格朗日點(diǎn)L2的太空望遠(yuǎn)鏡不僅受到太陽(yáng)光的影響較小，而且相比起其他位置的太空望遠(yuǎn)鏡，它們離觀測(cè)目標(biāo)最近，因此，在拉格朗日點(diǎn)L2的太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)條件是目前最好的。

sperktr-M和起源太空望遠(yuǎn)鏡將繼續(xù)探測(cè)黑洞，并幫助我們進(jìn)一步理解星系、黑洞和宇宙的演變。幸運(yùn)的是，離我們最近的黑洞只有1000光年，且它的質(zhì)量只約為太陽(yáng)的4倍。屆時(shí)，sperktr-M和起源太空望遠(yuǎn)鏡或許能記錄下光子圓環(huán)的樣子，在那里，說(shuō)不定有來(lái)自恐龍時(shí)代的地球的光子。

2019年4月，事件地平線望遠(yuǎn)鏡（EHT）的合作揭示了在巨型橢圓星系M87中心的候選超大質(zhì)量黑洞的第一張圖像。該事件視界圖顯示了一個(gè)發(fā)光的等離子體環(huán)，其中心有一個(gè)深色斑點(diǎn)，這被解釋為黑洞的陰影。