神奇的黑洞光环:捕获宇宙的历史

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来源:蝌蚪五线谱

一年前,历史被创造了。经过全球科学家长期而艰苦的工作,首次获得了黑洞视界的第一张直接图像,拍摄的是一个名为M87*的超大质量怪物,距离地球5500万光年远。那张辉煌、金色、模糊的图像证实了我们关于黑洞的许多想法。

获得了这张图像后,科学家们并没有停止研究。一组科学家团队根据从M87*中学到的知识,结合广义相对论的预测,进行了计算,以进一步预测有一天我们将以何种方式更仔细地与它相见。

黑洞的引力非常强大。它们的质量大到光速都太慢,无法在黑洞引力的作用下逃逸,而且它们还会弯曲途径视界外的光的路径。

如果一个经过的光子距离太近,它就会被困在围绕黑洞的轨道。这将形成所谓的“光子环”或“光子球体”,一个完美的光环将环绕在黑洞吸积盘的内边缘,但处于其视界之外。

这也被称为是最内层的稳定轨道,你可以从下方的图像中看出。这是由天体物理学家Jean-Pierre Luminet于1978年绘制的。

图自Jean-Pierre Luminet

黑洞周围环境的模型表明,光子环会创建一个复杂的子结构,由无限光环组成——有点像你在无限镜像里看到的效果。

哈佛-史密松天体物理中心的天体物理学家Michael Johnson解释道:“黑洞的图像实际上包含着一系列嵌套的环。每个环的直径大致相同,但随着光在到达观者之前绕黑洞运行的次数越多,就变得越来越锐利。通过现在的EHT图像,我们仅仅瞥见了任何一张黑洞图像中均应出现的全复杂度。”

事件视界望远镜

在M87*(上图)历史性的第一张图片中,我们可以看到吸积盘——图中橙色发光部分。中间的黑色部分是黑洞的阴影。

我们实际上是看不到光子球体的,因为光环非常精细,而望远镜分辨率不够高,因此无法捕捉到,但它应该位于黑洞阴影的边缘周围。

如果我们能看到它,光环就会告诉我们一些关于黑洞的非常重要的信息。

光环的大小可以告诉我们黑洞的质量、大小和自转速度。我们可以从吸积盘中确定这些数据,但光子环允许我们进一步缩小数据范围,以便进行更精确的测量。

研究人员在论文中写道:“从宇宙的任何地方收集到的光子壳层,每一个子环都是由向观察者屏幕倾斜的光子组成的(每个子环都是由→被宇宙中的光子壳层收集到之后 → 透过引力透镜 → 的光子组成的)。”

“因此,在一个没有吸收的理想环境中,每个子环都包含了一个独立的、指数衰减的整个宇宙的图像,随后的每个子环都在更早的时间捕获了可见宇宙。总之,这组子结构就像电影画面,捕获了从黑洞看到的可见宇宙的历史。”

因此,Johnson和他的团队使用建模来确定在未来观测中检测到光子环的可能性。他们发现这是可以做到的,尽管并不容易。

M87*的成像是一个独创性与合作性的壮举。世界各地的望远镜共同创造了一个非常长的基线干涉仪,称作事件视界望远镜,在这里,可以计算出阵列中望远镜之间的精确距离和时差,从而将观测结果拼接在一起。简单来说,就像是在使用一台地球大小的望远镜。

Johnson说:“真正领我们惊讶的是,虽然嵌套的子环几乎是无法用肉眼察觉的——甚至是完美的图像——但对于称为基线干涉仪的望远镜阵列来说,是强大而清晰的信号。虽然捕捉黑洞图像通常需要许多分布式望远镜,但子环只使用两个相距很远的望远镜就可以进行研究。在事件视界望远镜上增加一架太空望远镜就足够了。”

图自NASA/Xander89/Wikimedia Commons, CC BY 3.0

把望远镜送入低地球轨道是一个很好的开始,但这只能让我们清楚地拍摄其中一个环。

为了探测到第二个子环,你必须将望远镜放的离近地轨道更远一点,比如月球。第三个子环则需要将望远镜放置在月球之外,在太阳-地球引力相互作用形成的一个稳定位置上,称为拉格朗日点,即图中的L2。

这些都是可行的,NASA正计划进行月球载人飞行任务,有许多卫星坐落在L2。

显然这不会发生在明天,但这确实是一个令人兴奋的目标,为下一代的视界望远镜而努力。

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