黑洞将时空结构拉伸到极限——而且你离黑洞越近，事物就越扭曲。“你可以非常非常靠近黑洞，并愉快地进行圆形轨道运动，”牛津大学的物理学家安德鲁·马默里说。但是，当你越来越靠近时，黑洞的引力控制变得势不可挡。你到达了一个悬崖，不再是平静地盘旋，而是直接坠落。
在这一点上，经典的轨道力学失效了，“[艾萨克]牛顿无话可说，”马默里指出。描述物体头朝下坠入黑洞口中的动力学，是阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论的任务。
一个多世纪前，爱因斯坦用这个理论预测了后来被称为黑洞中会发生什么。就在黑洞事件视界之外——过了这个边界，甚至光都无法逃脱——一个轨道物体会突然遇到所谓的坠落区，并以接近光速的速度坠入厄运。
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理论家认为，黑洞的坠落区是所有坠入事物命运被封印的地方。然而，除了这个基本的见解之外，这个区域仍然几乎完全是个谜。“基本上，现有的理论模型忽略了这个区域，”马默里说——毕竟，它很小，而且目前的望远镜很难看到。但是，由于我们星系中一个黑洞吞噬物质时的一次偶然爆发，马默里和他的同事现在首次观察到了坠落区。他们在上周发表在《皇家天文学会月刊》上的一篇论文中报告了他们的结果。
“第一次看到它时，知道它确实存在就很高兴了，”马默里说。“既然我们知道我们可以看到这个，原则上我们可以用它来学习很多东西。”
没有望远镜可以直接看到黑洞，因为即使是光也无法逃脱这些天文物体的控制。相反，物理学家通常研究来自黑洞吸积盘的光——围绕这个宇宙排水口的超热气体和尘埃。这个盘的最内唇就是坠落区的阈值。它发出的光相对较少，因此直到最近，科学家们还无法获得足够的数据来观察它。
“有两种方法可以获得更好的数据：你可以建造更好的望远镜，或者你可以走运，”马默里说。幸运的是，在2018年，天文学家使用多台望远镜发现了一个黑洞，称为MAXI J1820+070，这为马默里和他的团队提供了他们需要的机会。这个黑洞位于约10,000光年之外，一直在吞噬从附近恒星虹吸来的物质，几个月来，观察者们看到它狼吞虎咽地吞噬了大量的恒星气体，很好地观察到了它厚厚的、炙热的吸积盘，在X射线下发出明亮的光芒。美国宇航局的两台太空望远镜，核光谱望远镜阵列（NuSTAR）和中子星内部成分探测器（NICER），对准了这个黑洞，收集了大量的X射线数据。
但是到2020年初，剑桥大学的研究合著者安德鲁·法比安和其他科学家意识到，标准的黑洞模型无法解释NuSTAR和NICER观察到的所有光。通过更仔细地查看数据并参考模拟，法比安和他的同事发现，这种额外的光与他们预期从溢入坠落区的发光物质中获得的光相符。普林斯顿大学的理论天体物理学家亚历杭德罗·卡德纳斯-阿文达尼奥解释说，现在研究人员已经开发出一种工作模型，可以解释2018年爆发的这些细节，并且也可以应用于其他黑洞，他没有参与这项新研究。
这证实并加深了我们对爱因斯坦预测的必须发生在接近吸积盘内边缘黑洞不归路点的物质上的事情的理解。在某些方面，你可以想象它就像沿着漏斗滑水道向下走。重力和向心力将你沿着漏斗内部螺旋向下发送。当你螺旋收紧时，你绕圈的速度会更快，直到你最终到达漏斗边缘并坠入下面的水池。
“一旦你过了漏斗，你就无能为力了，”马默里说。
坠落区如此靠近黑洞，应该为研究人员提供一种研究其他难以探测的属性的新方法，例如黑洞的自旋，以更多地了解这些物体是如何形成的。到目前为止，大多数使用传统望远镜（以及忽略坠落区的传统模型）研究过的黑洞似乎都在非常快速地旋转。但是，那些使用引力波望远镜研究过的黑洞——探测时空本身涟漪而不是光的观测站——似乎旋转得慢得多，卡德纳斯-阿文达尼奥解释说。
科学家们仍然不知道这种暂时的紧张关系是否可以在物理上得到调和，或者它是否反而指向我们理论中的一些更深层次的缺陷。但是来自坠落区的数据可以提供更仔细的观察。“自旋是你只有在非常非常靠近黑洞时才能感觉到的东西，”马里兰大学帕克分校的理论和计算天体物理学家阿米莉亚·汉克拉说，她没有参与这项新研究。“坠落区令人兴奋的是，时空旋转的印记在[发射]中是[可见的]。”
新的分析表明，所讨论的黑洞旋转速度并不快，这让研究人员感到惊讶。“这与其他使用忽略该区域的模型的人发现的完全不同，”马默里说。
研究黑洞的自旋不仅仅是出于闲着无聊的好奇心：“宇宙的演化取决于黑洞的行为方式，而这种行为方式取决于它们的旋转程度。所以这些都是基本问题，”卡德纳斯-阿文达尼奥说。