黑洞正播放着宇宙历史的镜头,而物理学家则努力破译每一帧中的宇宙“史诗”

黑洞的神秘身影正在变得越来越清晰(www.hanLa.net)。2019年4月,一张在周遭一片黑暗的围绕中闪动着朦胧橙光的圆环照片,令数十亿人为之惊叹,这只“甜甜圈”是人类拍摄下的首张黑洞照片。今年3月,天文学家们又公布了第二张黑洞照片,橙光圆环上多了一道道顺滑而细腻的明亮细环,像极了旋转烟花。

其实,大多数人都太过沉浸于将数据转化成图片的过程,却鲜有人尝试去理解影像所传达的深层信息,而这才是其真正重大的意义所在。

过去两年中,研究者们不懈探求,终于建起一片布满“魔镜”的天地:黑洞的引力从各个方向吸收光线,然后将其扭曲并向观者发送——我们所看到的神奇是“魔镜”对黑洞周围环境做了无限次重构得来的图像,堪称一部讲述宇宙历史的史诗巨制,在数百亿公里的巨大弧形屏幕上放映。

宇宙影院中的廉价座席

首张黑洞照片公布时,大多数人都沉浸于观测数据是如何转化成图片的,但天文学家却致力于理解影像所传达的深层信息。美国哈佛大学的射电天文学家迈克尔·约翰逊回忆,发布结束后,他和同事们聚在一起探究同一个问题:这只“甜甜圈”究竟是什么意思?

如果宇宙是一座大电影院,M87超大质量黑洞是影院大屏幕上播放的一部电影,那么从地球上观测它,就好比在一个偏远(大约5500万光年开外)的廉价座位(观影视角相当差劲),去观看黑洞影像——人类永远都难见其全貌。

不过即便如此,通过坚持不懈的努力观测,我们眼前所获得的照片或许已足以展现黑洞的真实历史了,或许也足以给爱因斯坦的理论以最高级别的检验,甚或足以令人类对空间和时间有更深的理解。

黑洞可能是爱因斯坦广义相对论中最惊人的预测,它将广义相对论的核心思想展现到了极致:黑洞的密度是如此之大,以至于时空被其无限扭曲;任何距离过近的事物都会被它拖入无尽黑暗。

尽管爱因斯坦怀疑黑洞是否真实存在,至少迄今为止还找不出有宇宙学观测证据与之矛盾,而且近几十年来的观测令我们相信,黑洞确实存在。

大型恒星“死亡”所坍塌形成的小型恒星,质量约为太阳质量的10或20倍——LIGO(激光干涉引力波天文台)于2015年检测到的引力波,就是由两个这样的天体合并而引发的“时空涟漪”。而且,几乎在每个星系(包括我们的银河系)中心出现的超大质量黑洞,都拥有数百万至数十亿个太阳质量的“体格”,那些触动引力波的小恒星在它们面前简直是秋毫之末。

2019年的黑洞图像来自室女星系团中的超巨椭圆星系M87,其质量可能达到太阳的65亿倍。事件视界望远镜(EHT)团队使用复杂的信号处理,将来自世界各地射电望远镜的数据组合成M87核心的图像,图片的最终分辨率与地球口径的单个无线电天线相当。

在这张图片中,橙色光环中心的黑暗是黑洞的阴影,被黑洞的引力放大、变形。可周围的橙色光芒到底是什么?一开始没人能真正回答这个问题。

为解析图像,理论派与实验派研究者并肩作战。“我的职责是找到通用语言。”约翰逊表示,他的同事中有黑洞观察者、黑洞模拟器专家、黑洞理论家……但术业有专攻,隔行如隔山,要让大家形成有效沟通非常困难,每一块研究内容都太专业了。

从黑洞视角捕捉宇宙历史

自从M87的黑洞图像问世,物理学家运行了许多关于M87的磁流体数值模拟(GRMHD)——将广义相对论与磁流体动力学相结合,描述围绕黑洞的高温电离气体的行为。每次模拟,科学家都会先做一些可能产生无线电波的假设,接着计算黑洞引力对电波路径的弯曲,最终预测得到黑洞图像。

研究团队发现,EHT照片里模糊的橙色辉光,可能源于大量黑洞引力弯曲电波路径:黑洞以强大的力量映现了电波的形状,而隐藏了真实的发射源。

不过,尽管这些模型无助于寻找来源,却揭示了一些出乎意料又引人入胜的内容。研究团队成员们预测:宽而模糊的橙色光环中应该会有非常明亮的细环。哈佛大学的卢普萨斯卡认为,这首先意味着很多困惑。

几十年前就有人对黑洞发起过探寻。1959年,进化论奠基人查尔斯·罗伯特·达尔文之孙、英国物理学家查尔斯·加尔顿·达尔文就做出了类似预测。他介绍了黑洞周围的宇宙之光如何靠近它、绕着它游走,那些靠得更近、轨道更多的光子将被捕获。后来的工作表明,特定轨道数的光可能会被黑洞压缩成一个细环。这一切都是在表达“黑洞影像不限于宽阔而模糊的橙色光圈,还包含了明亮细环”。

不过,这一切的前提是预设黑洞不会旋转,但实际上黑洞应该会旋转,从而保留其所吸入物质的角动量。

美国纽约巴纳德学院的天体物理学家詹娜·莱文表示,黑洞旋转的字面含义是将时空拖入其周围的漩涡。它附近的所有物体,包括光线,都会被拖着转。不过,没人研究过这个问题,“它太复杂了”。

但GRMHD模拟已证实了基本情况。模拟结果表明,如果我们仔细观察,会发现又细又亮的光子环由无限个子环嵌套组成,每个子环都由光子绕黑洞旋转一定圈数而形成,它们越接近黑洞中心阴影的边缘,就越暗越薄,而且这种变化是指数级的。由于内部子环由具备更多轨道的光组成,故而这些光子会更早被黑洞中心捕获。研究团队在发表的论文中写道:“总而言之,子环的集合类似于电影的帧,从黑洞的视角捕捉到了可见的宇宙历史。”

在橙色光环上,相邻子环间的年龄差为6天。因此,只有为数不多的若干帧能将宇宙历史映射给我们,而且我们所能看见的历史很短暂。按照约翰逊的说法,我们甚至“追溯不到恐龙时代”。

尽管如此,这些光环依然充满价值。首先,它们的大小和形状并不取决于光子的来源,而仅取决于黑洞的性质。这就可以让物理学家通过研究光环来判断黑洞的性质。

目前,研究者估计M87黑洞的质量与65亿个太阳相当,估值误差不超过15%。由于黑洞光环的宽度取决于黑洞质量,卢普萨斯卡认为,如果科学家能分辨出超细光子环并测量其尺寸,那么或许就可以实现误差不超过1%的精确测量。

其次,黑洞周围的旋转时空会将光环略微压扁,因此它们不是完美的圆环形。通过对其形状的分析,我们有望获得关于黑洞旋转的准确数据。这就可能将M87的历史透露给我们——它是否经历了一系列与较小黑洞的随机碰撞,从而令其整体旋转程度降低?抑或它通过从其宿主星系大量获取不断向上旋转的气体,从而增加自身转速?这一切都有待回答。

对广义相对论进行最严格检验

测量黑洞的自旋也能帮我们解释黑洞如何喷发出那些强大的、接近光速传播的物质射流。这些射流从宿主星系中喷出,可以飞行数十万光年的距离,最终以巨大等离子体羽流的形式遍布整个宇宙。

一种为更多人认同的理论是,黑洞的自旋与周围磁场相结合,从而扮演了发电机的角色——产生一个强大电场,大到足以将电子和正电子从真空中抽出,将它们加速成两道射流;每个射流背离黑洞的一个极点而去。

光子环还可作为对广义相对论最严格的检验证据。广义相对论非常适用于地球引力场的弱引力区域。为此,科学家每天都要做数十亿次验证操作,因为验证以时间扭曲为基础——卫星导航通过精确允许相对时间扭曲实现验证。

2004年,美国宇航局(NASA)发射的引力探测器B帮助我们看到了地球自旋引起的参考系拖拽。我们可以将地球自旋看作黑洞周围时空漩涡折兑至地球的极弱化版本。

至于相对论真正发挥作用的极端引力场,目前,由引力波探测器常规采集到的黑洞碰撞形成的回声与爱因斯坦的理论是相符的,但如果要测算黑洞光子环间距,对精确度的要求就会非常高。

莱文认为,这是检验相对论的好方法,因为很难以其他任何方式看到这类内部轨道。如果实测结果与广义相对论的预测有任何偏离,都会有助于物理学家建构一套引力量子理论(长期以来学界一直缺少此类理论的支持),帮助人类搞明白空间和时间是如何组成的、宇宙大爆炸的初始瞬间究竟发生了什么,以及黑洞里面到底有些什么。

作者:刘迪一/编译

编辑:许琦敏

责任编辑:任荃

图片来源:视觉中国

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