根据定义,黑洞不发光。它们是不可见的。
但是天文学家希望尽可能靠近黑洞,方法是放大观察黑洞周围的区域。这就是事件视界望远镜(EHT)的目标,这是一个连接全球的射电望远镜网络。
真正的事件视界——光和物质都无可挽回地被黑洞引力吞噬的点——仍然无法看见,但是该望远镜现在已经成功地穿透了附近超大质量黑洞的面纱,得以窥探其动荡环境前所未有的深度。
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研究人员将位于夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的EHT射电天线指向巨大的椭圆星系M87,该星系距离地球约5450万光年。该星系的特征是一条壮观的喷流,长达数千光年,从其中心喷射而出,因此,据推测,也来自该星系的黑洞。在9月27日在线发表在《科学》杂志上的一项研究中,马萨诸塞州韦斯特福德市马萨诸塞理工学院海斯塔克天文台的谢泼德·多尔曼和他的同事报告说,该天线网络已经解析了M87喷流的根部。喷流在该位置(靠近其起源处)的大小,反过来又使研究人员能够推断出该星系巨型黑洞(质量为太阳的66亿倍)和围绕它的物质漩涡盘的一些最基本属性。
在黑洞的事件视界之外,环绕着一个物质盘,该物质盘被吸入但尚未被黑洞的引力吞噬。随着落入的物质碰撞和压缩,吸积盘变得非常稠密和炽热,在此过程中释放出大量的辐射。吸积盘还可以将粒子加速成等离子体喷流,该喷流以接近光速的相当一部分速度向外传播。
多尔曼和他的同事测量了M87中喷流的根部,以确定黑洞吸积盘内稳定性的内边缘,超过该边缘物质会迅速向内坠落,走向毁灭。那个边缘,即吸积盘中最稠密和移动速度最快的部分,可以轻松地将粒子向外抛射。“我们从M87看到的喷流很可能就是从这个区域发射出来的,”多尔曼说。
EHT凭借其各个站点之间长基线带来的卓越分辨率,使研究人员能够测量喷流足迹的大小,仅为黑洞史瓦西半径的5.5倍。(史瓦西半径是给定质量在不坍缩成黑洞的情况下可以被压缩到的最小尺寸。)“我们看到的东西非常小,小得令人难以置信,令人震惊,”多尔曼说。
喷流的大小——以及由此推断出的吸积盘内最内稳定轨道的大小——暗示黑洞正在旋转,并且吸积盘正朝着相同的方向旋转。一个不旋转的黑洞将具有更宽的喷流,而一个与黑洞旋转方向相反的吸积盘将发射出更宽的喷泉状喷流。
在测量喷流足迹时,研究人员必须考虑到由爱因斯坦广义相对论的弯曲时空引起的畸变,这种畸变是观测如此巨大的物体所固有的。由于这种畸变,地球上的工具测量的粒子喷流可能看起来比实际更大。“黑洞就像它自己的透镜,”多尔曼说。“那仅仅是因为黑洞像太妃糖一样弯曲光线。”
仅仅可视化事件视界并不是该项目的唯一目标。一个中心目标是窥探一个由超大质量物体主导的天体物理环境,以观察引力是否如预测的那样运作。“如果爱因斯坦的理论要被打破,那很可能是在黑洞附近,”多尔曼说,然后他承认,这个统治性的引力理论已经经受住了无数次挑战。“永远不要与爱因斯坦对赌是明智的,”他补充道。“我认为拉斯维加斯的博彩公司会给你很高的赔率。但你必须尝试。”