本文发表在《大众科学》的前博客网络中,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
在“黑洞”这个术语被科学界和大众意识所接受之前——大约在20世纪60年代——事件视界通常被称为“施瓦西喉”。我个人很喜欢这个名字,它很稳健,而且感觉比黑洞更具启发性。“喉”意味着通往某种东西的通道,可能通向你不想去的地方,比如一头强大的宇宙鲸鱼的胃。
但同样地,喉的说法对于我们正在讨论的爱因斯坦场方程的解留有一些歧义。喉可以暗示一个虫洞,而不是通往施瓦西中心奇点的单向时间隧道。同样,对于一个旋转的黑洞来说,这个术语也不完全正确。在这种情况下,时空的形状和性质会有些不同。感谢新西兰物理学家罗伊·克尔早在1965年所做的杰出工作,我们不仅知道旋转体的场方程解是存在的,而且旋转会扭曲事件视界的形状——使其成为扁球体——并创建一个名为“动圈”的外部区域,在这个区域中,由于时空结构被拖拽着绕着黑洞旋转,任何东西都无法静止不动。
星系M87中超大质量黑洞的非凡图像,由事件视界望远镜(EHT)项目产生,开始揭示这个奇怪环境的一部分。但我们有必要小心理解我们现在能看到和不能看到的东西。
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EHT团队将M87图像中的中心黑暗区域称为黑洞的“阴影”,这是一种很好的讨论方式。我们看到的实际上不是质量的视界(或喉),而是阻止光子进入我们视线的区域。
更具体地说,如果我们从远处观察一个简单的、不旋转的黑洞,我们会发现该黑洞存在一个光子捕获半径。这是黑洞周围的明显区域,任何原本会继续被我们看到的光(来自背景恒星或靠近黑洞的物质)都会被黑洞对时空的扭曲所转移——落入视界并穿过视界,甚至被捕获到不稳定的轨道中。
该区域的大小约为事件视界的 5.2 倍,对于一个旋转的黑洞,光子捕获区域也会略微偏离圆形,具体取决于黑洞自转相对于我们观察方向的取向。
从可能绕黑洞运行的物质中逃逸的光——在物质因潮汐力拉扯和推挤而向视界作字面意义上的死亡螺旋运动时——也会被质量周围强烈弯曲的时空透镜化。结果是,我们期望看到的黑洞是围绕黑洞运行的加热物质的扭曲的环状图像,以及对应于光子捕获半径的薄内光环。如果黑洞是旋转的,所有这些都会进一步改变——导致来自向我们移动或远离我们的物质的辐射发生相对论增强和减弱。
换句话说,我们在 EHT 的 M87 图像中看到的是一个“阴影”。严格来说,黑洞的视界,即喉,仍然潜伏在图像的中心更近的地方。
但这显然仅仅是个开始。其他黑洞,具有不同的质量、自旋和方向,是未来观测的潜在目标。随着 EHT 性能的进一步技术改进,我们很有机会对这些荒谬、美丽和可怕的地方的外部分解结构进行更精细的剖析。