爱因斯坦的引力理论在黑洞附近仍然成立吗？

一个世纪以来，科学家们一直试图 推翻阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论，但均未成功。然而，到目前为止，爱因斯坦的理论一直都很轻松。迄今为止的每一次评估都是在相当弱的引力场中进行的。为了对广义相对论进行最严格的检验，我们需要看看它在引力极强的地方是否仍然成立。而在当今宇宙中，没有哪个地方的引力比黑洞边缘——事件视界——更强，事件视界是边界，一旦越过这个边界，引力就会变得势不可挡，以至于穿过它的光和物质永远无法逃脱。

黑洞的内部是无法观测的，但这些物体周围的引力场会导致靠近视界的物质产生大量的电磁辐射，望远镜可以探测到这些辐射。在黑洞附近，巨大的引力将流入的物质（称为吸积流）压缩到越来越小的体积中。这导致下落的物质达到数十亿度的温度——具有讽刺意味的是，这使得黑洞周围的区域成为宇宙中最亮的 spot 之一。

如果我们能用一台放大倍数足够分辨事件视界的望远镜观测黑洞，我们就可以跟踪物质螺旋式下降到不归路的过程，并观察它的行为是否符合广义相对论的预测。当然，这里有一个问题：开发一台能够分辨黑洞视界的望远镜会带来几个挑战。值得注意的是，我们必须应对从地球上观察到的黑洞的微小尺寸。即使是现在认为存在于大多数星系中心的超大质量黑洞，其质量是太阳质量的数百万或数十亿倍，在某些情况下直径大于我们的太阳系，但它们离地球太远了，以至于在天空中所张的角度非常小。最近的例子是人马座 A*，它是银河系中心的四百万太阳质量黑洞；它的事件视界看起来只有 50 微角秒宽，大约相当于在月球上看到的 DVD 的大小。为了分辨如此小的物体，望远镜必须具有比哈勃太空望远镜所达到的角分辨率精细 2000 多倍的角分辨率。

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更重要的是，这种黑洞在两个方面被我们的视线所遮蔽。首先，它们出现在星系的中心，深藏在浓密的 газовых 和 пылевых облаках 之中，这些 газовых 和 пылевых облаках 阻挡了大部分电磁 спектра。其次，即使是发出我们想要探测的光的物质——那团发光的漩涡状碎裂物质螺旋式地向视界内旋——本身对大多数波长的光也是不透明的。因此，只有少数波长的光可以从黑洞的边缘逃逸出来，被我们在地球上观测到。

事件视界望远镜 (EHT) 项目是一项国际努力，旨在克服这些障碍，并对黑洞进行详细观测。为了从地球表面获得尽可能高的角分辨率，EHT 利用了一种称为甚长基线干涉测量 (VLBI) 的技术，在这种技术中，全球各地的射电望远镜中的天文学家同时观测同一目标，将他们收集的数据记录在硬盘驱动器上，然后在之后使用超级计算机将所有这些数据组合起来，形成一个单一的图像。通过这样做，位于不同大陆的许多望远镜可以形成一个虚拟的地球尺寸的望远镜。望远镜的分辨率由它观测到的光的波长与其尺寸之比给出，因此 VLBI 经常生成细节远远超过任何光学望远镜放大倍数的射电天空图像。

通过改进 VLBI 中使用的技术，以便可以在最短的射电波长下进行观测，EHT 将很快能够应对黑洞成像的所有挑战。在这些波长（接近一毫米大小）下，银河系基本上是透明的，这使得 EHT 能够以最小的来自中间气体造成的模糊来观测人马座 A*。这些相同的波长也能够穿透落向黑洞的物质，从而能够访问人马座 A* 事件视界周围的最内部区域。而且，在一个真正的“金发姑娘”巧合中，全球范围的毫米波 VLBI 阵列的放大倍数非常适合分辨最近的超大质量黑洞的事件视界。

在并行发展中，理论天体物理学家开发了数学模型和计算机模拟，以探索这些观测的各种可能结果，并开发解释这些结果的工具。他们使用新颖的超级计算机算法，模拟了黑洞事件视界之外的物质的搅动，并且在所有模拟中，他们都发现黑洞在吸积流发出的光上投射了一个“阴影”。

华盛顿大学物理学家詹姆斯·巴丁在 1973 年预测了黑洞阴影的存在。根据定义，任何穿过事件视界的光都永远无法返回。巴丁确定了光子将围绕黑洞运行的视界外部的点。如果光线穿过这个轨道向内移动，它将被永远捕获并螺旋式地向事件视界内旋。起源于事件视界和这个轨道之间的光线可以逃逸，但它们必须几乎径向向外指向，否则它们也有被黑洞的引力捕获并使其轨迹向后弯曲朝向事件视界的风险。我们称这个边界为光子轨道。

就光而言，黑洞就像一个不透明的物体，光子轨道定义了它的边界。光子轨道明亮的环与较暗的内部之间的对比就是所谓的阴影。地球上的观测者看到的这个阴影的视大小实际上预计会比光子轨道大得多。发生这种情况是因为黑洞周围强烈的引力场通过引力透镜“放大”了阴影。

EHT 现在准备好观测这个阴影和黑洞的其他特征。在 2007 年和 2009 年的观测中，通过对人马座 A* 和室女座 A 星系（也称为 M87）中心的另一个超大质量黑洞进行观测，验证了技术方法是合理的——并且最终的科学目标是可以实现的。这些早期观测将夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的站点连接起来，成功地测量了来自这两个源的 1.3 毫米波长射电辐射的范围。在这两种情况下，测量结果都与预期的黑洞阴影大小相符。

计划使用完整的、行星范围的射电望远镜网络进行的观测将产生足够的数据，使我们能够构建这些黑洞的完整图像。另一组同等重要的观测将使用 VLBI 数据来搜索和追踪局部活动区域（“热点”）在黑洞周围环绕的轨迹。由于广义相对论既预测了这些黑洞应该是什么样子，也预测了物质应该如何围绕它们运行，因此这些观测将使我们能够在广义相对论的最极端预测显现的地方对爱因斯坦的相对论进行一系列测试。

检查宇宙审查

EHT 将使我们能够回答一个基本问题：人马座 A* 是黑洞吗？所有可用的证据都表明答案是肯定的，但没有人直接观测到黑洞，其他可能性也与广义相对论相符。例如，人马座 A* 可能是某种称为裸奇点的东西。

物理学中的奇点是指方程的解未定义且我们理解的自然规律不再适用的地方。广义相对论预测宇宙起源于一个奇点——一个初始时刻，当时宇宙的所有内容都集中到一个无限密度的单点中。该理论还告诉我们，奇点（引力变得无限大，物质被压缩到无限密度的地方）位于每个黑洞的中心。

在黑洞中，事件视界将奇点隐藏在我们的宇宙之外。然而，广义相对论并不要求所有奇点都必须被视界“包裹”。爱因斯坦方程有无数个解，其中奇点是“裸露的”。其中一些解描述了正常黑洞旋转得如此之快，以至于它们的视界“打开”以显露出内部的奇点；另一些解描述了没有事件视界的黑洞。

与黑洞不同，裸奇点仍然是高度理论化的：没有人提出任何可以导致其形成的真实世界配方。每个天体物理学上合理的恒星引力坍缩计算机模拟都会导致形成一个带有视界的黑洞。事实上，在 1969 年，罗杰·彭罗斯提出了宇宙审查假说：即物理学以某种方式审查了奇点的裸露性，始终用视界将其包裹起来。

1991 年 9 月，加州理工学院物理学家约翰·普雷斯基尔和基普·索恩与剑桥大学物理学家斯蒂芬·霍金打赌，宇宙审查假说是错误的，裸奇点确实存在。即使在霍金去世 27 年后，这个赌注仍然存在，等待着一个可以解决它的实验。证明人马座 A* 具有事件视界并不能最终反驳其他地方存在裸奇点。然而，确定我们银河系中心的黑洞是裸奇点将使我们能够直接观察到现代物理学崩溃的条件下的现象。

寻找“毛发”

否定宇宙审查不会对广义相对论造成致命打击；毕竟，它的方程允许存在裸奇点。然而，我们也期望 EHT 检验一个关于黑洞的长期存在的想法，称为“无毛定理”。如果无毛定理是错误的，那么至少必须修改广义相对论；这个定理的数学证明没有留下任何回旋余地。

该定理说，任何被事件视界包围的黑洞都可以仅使用三个属性来完全描述：质量、自旋和电荷。换句话说，任何两个具有相同质量、自旋和电荷的黑洞都是完全相同的，就像任何两个电子都是无法区分的一样。该定理指出，黑洞没有“毛发”——没有几何不规则性或区分特征。

当我们刚开始考虑使用 VLBI 对黑洞进行成像时，我们认为可以使用黑洞阴影的形状和大小来了解产生它们的黑洞的自旋和方向。但我们的模拟给我们带来了一个意想不到的，并且最终非常令人愉快的惊喜。无论我们在模拟中让黑洞旋转得有多快，无论我们将模拟观测者放置在哪里，黑洞阴影总是看起来几乎是圆形的，视大小大约等于事件视界半径的五倍。由于一些幸运的巧合——如果这背后有深刻的物理原因，我们仍然没有发现——无论我们如何在模型中更改参数，黑洞阴影的大小和形状都几乎保持不变。如果我们的目标是检验爱因斯坦的理论，那么这个巧合是一个极好的消息，因为它只有在广义相对论成立的情况下才会发生 [见上方框]。如果人马座 A* 具有事件视界，并且如果其阴影的大小或形状偏离我们的预测，那将构成对无毛定理的违反——从而也违反了广义相对论。

追踪轨道等等

EHT 观测将产生比用于制作图像的数据多得多的数据。天线将记录黑洞发射的辐射的完整偏振，这将使我们能够创建事件视界附近磁场的地图。这些地图可以帮助我们理解 M87 等星系中心发出的强大“喷流”背后的物理原理——这些喷流是由超高能量物质以接近光速的速度传播，距离长达数千光年。天体物理学家认为，超大质量黑洞事件视界附近的磁场为这些喷流提供动力；绘制磁场图可以帮助我们检验这个假设。

我们可以通过观察黑洞周围物质的运动来了解其他事情。黑洞周围的吸积流预计是高度湍流和可变的。计算机模拟经常显示其中存在局部的、短暂的、磁性活跃的区域——“热点”，类似于太阳表面的磁性爆发。这些热点可能解释了人马座 A* 中经常看到的亮度变化，它们将与底层的吸积流一起以接近光速的速度围绕黑洞旋转，在不到半小时的时间内完成完整的轨道。在某些情况下，当它们移动到黑洞后面时，它们会发生引力透镜效应，并产生几乎完整的爱因斯坦环——明亮的、引力弯曲的光环，就像哈勃太空望远镜从遥远的类星体探测到的那些光环一样。在其他情况下，它们会在黑洞周围轨道运行几次，然后失去能量并消散。

热点可能会使制作图像的过程复杂化，因为 VLBI 技术使用望远镜非常像延时相机，将虚拟快门保持打开状态以持续整个观测过程，并利用地球的自然自转来获得尽可能多的黑洞不同角度。如果吸积流中的一个亮点围绕黑洞运行，那么它的外观将会变得模糊，就像如果相机快门打开时间过长，短跑运动员的照片会变得模糊一样。

然而，热点也可能使我们能够对广义相对论进行完全不同的测试。EHT 可以使用一种花哨的名字叫做闭合相位变异性跟踪的技术来追踪热点的轨道。该方法包括测量来自热点的光到达三个望远镜的时间延迟，然后使用基本的三角测量法来推断热点在天空中的位置。轨道运行的热点将在望远镜收集的原始数据中产生独特的特征。正如爱因斯坦的方程预测了黑洞阴影的大小和形状一样，它们也揭示了我们需要了解的关于热点应该追踪的轨道的一切信息。这种热点模型在某种程度上是示意性的，现实情况可能更复杂。尽管如此，在完全灵敏度下，EHT 将能够监测吸积流中的结构，因为它围绕黑洞运行，这可以提供另一种方法来检查广义相对论的预测在黑洞边缘附近是否仍然成立。

非凡的证据

如果我们的观测结果似乎与爱因斯坦的理论不一致会发生什么？用卡尔·萨根推广的一种表达方式来说，非凡的主张需要非凡的证据。在自然科学中，非凡的证据通常意味着通过独立方法对任何主张进行一次或多次验证。在未来几年，强大的光学和射电望远镜，以及天基引力波探测器，可能会通过监测恒星、中子星（由大质量恒星引力坍缩产生的微小、密度极高的物体）以及超大质量黑洞周围的其他物体的轨道来提供这种验证。

激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测到来自比星系中心发现的黑洞小得多的黑洞合并产生的引力波，并且随着它将在不久的将来积累更多的探测结果，它将有助于解决这些小黑洞是否遵循爱因斯坦的预测的问题。欧洲南方天文台甚大望远镜 (VLT) 上的光学干涉仪 GRAVITY 已经跟踪了我们星系中相当靠近人马座 A* 事件视界的恒星轨道——并且没有发现在大约是黑洞半径 1000 倍距离处的意外现象，同时继续将这个极限推向更靠近事件视界本身的位置。一旦建成，平方公里阵列 (SKA)（一个正在南非和澳大利亚建造的射电干涉仪）将开始监测围绕同一黑洞快速旋转的中子星（称为脉冲星）的轨道。最后，演化的激光干涉仪空间天线 (eLISA) 将探测到当小型致密物体围绕附近星系中的超大质量黑洞运行时发射的引力波。

由于黑洞的引力场非常强，这些物体的椭圆轨道将快速移动（进动）；这种效应非常明显，以至于距离黑洞最远的点应该在仅仅几个轨道内描绘出一个完整的圆圈。与此同时，黑洞将拖拽着它们周围的时空一起旋转，导致这些时空内的物体的轨道平面也发生进动。测量不同距离黑洞的物体的轨道进动率将导致对黑洞周围时空的完整三维重建，从而在极强引力存在的情况下对广义相对论进行多次检验。

所有这些仪器共同作用将有助于决定爱因斯坦的广义相对论——特别是其关于黑洞的预测——是完好无损地再存在一个世纪，还是会在科学进步的祭坛上被牺牲。