黑洞的事件視界得到進一步證實

近來，德克薩斯大學奧斯汀分校和哈佛大學的天文學家檢驗了黑洞的一個基本原理，他們找到了新的證據來證實當物質被吸進黑洞時會完全消失，愛因斯坦的廣義相對論再次通過檢驗。

△ 一顆恆星穿越黑洞事件視界的藝術想像圖。（圖片來源：MarkA.Garlick/CFA）

當一顆大質量恆星耗盡其燃料時，它會在自身的引力下坍縮，最終在空間中形成一個物質密度任意高的區域，即所謂的奇點。如果這個奇點被事件視界(event horizon，下面簡稱視界)包圍，就形成了黑洞。大多數科學家都認為，無論任何東西，一旦越過黑洞的視界，就會被強大的引力吸引而無法逃脫。儘管這個概念被普遍接受，但視界的存在並沒有得到證明。

一篇刊登在《皇家天文學月報》的最新研究結果證明，科學家對黑洞的視界的描述是十分準確的，任何物體只要越過黑洞的隱形的邊界，便無法逃脫引力的強烈拉扯而落入黑洞之中。這也意味著當任何物體落入黑洞時，它會被完全的吞噬，而不會與任何堅硬的表面發生撞擊。

天體物理學家Pawan Kumar說：「我們研究的重點是要將視界的這個想法變成一個實驗科學，並確認視界是否真的存在。找到具體的證據來證實黑洞周圍確實存在著事件視界，從而推進我們對這個概念的認知。」

科學家認為，幾乎所有星系的中心都存在著一個超大質量黑洞。但有一些科學家們根據愛因斯坦的廣義相對論的修正理論推測，佔據在這些星系中心的超大質量物體可能是其他東西，而不是黑洞——比如它有著巨大的質量，卻能以某種方式避免坍縮成一個被事件視界包圍的奇點。

△ 恆星與星系中心的超大質量物體發生撞擊的藝術想像圖。（圖片來源：Mark A. Garlick/CFA)

奇點是沒有表面積的，而沒有坍縮的超大質量物體有。因此基於這個以廣義相對論的修正理論為基礎的假設，意味著如果一個四處遊盪物體，比如一顆恆星，與這個神秘的超大質量物體不期而遇，那麼這顆恆星不會落入黑洞中消失，而是與堅硬的表面積發生碰撞而被摧毀，這個撞擊是可以被探測到的。

Kumar和他的學生陸文彬(音)，以及哈佛大學理論天文學教授RameshNarayan設計了一系列測試來驗證這個想法。他們首先發現如果一個恆星與一個星系中心的超大質量物體的堅硬表面撞擊時，望遠鏡會觀測到這顆恆星的氣體將會包裹住這個物體並放出巨大的光亮，這種光亮可以持續幾個月甚至幾年。

接著他們計算出如果「堅硬表面」假設是真的，那麼在臨近星系中發生這種撞擊的頻率是什麼。幾乎每個星系中心都存在這樣一個超大質量物體，他們只取那些質量最大，約太陽的1億倍以上的用到計算中。在距離地球幾十億光年的距離中，這樣的超大質量物體大約有1百萬個。

△ 在撞擊後產生的強烈的耀斑。（圖片來源：MarkA.Garlick/CFA)

他們分析了從Pan-STARRS望遠鏡收集到的數據，來尋找任何可能符合這種超大質量撞擊中發生的短時間的事件。(Pan-STARRS望遠鏡位於夏威夷，主鏡直徑為1.8米。)

陸文彬(音)解釋說：「結合考慮恆星落入黑洞的概率和鄰近宇宙中的黑洞數量密度，我們計算出了Pan-STARRS在3.5年的運行期間應該檢測到的這種短時間閃光事件的數量。計算給出的結果是，如果堅硬表面的理論正確，我們至少能觀測到10個這樣的例子。」可最終Pan-STARRS數據顯示一個也沒有。

雖然這並不足以全面否定「堅硬表面」的假設，但這確實降低了這個假設的可能性，同時進一步驗證了愛因斯坦在很久很久以前對黑洞的預測，即黑洞周圍存在著視界。

Narayan教授說：「這項研究意味著有一些、甚至是所有的黑洞都有視界，當物質靠近這些神奇的天體時會被完全吞噬，從可觀測的宇宙中消失，正如我們幾十年前預料的那樣。這是廣義相對論通過的又一個關鍵考驗。」

接下來這幾位科學家會使用更大更靈敏的LSST望遠鏡來進行同樣的觀測，來進行更全面的分析。就目前的結果看來令人欣喜的部分是廣義相對論——這個由愛因斯坦提出的在人類史上最重要的科學理論之一，在提出後的100年後仍然堅挺。期待LSST的數據能更進一步的證實這種能吞噬任何靠近它們的物體的時空空洞的存在。

參考鏈接：

【1】https://news.utexas.edu/2017/05/30/do-stars-fall-into-black-holes-or-crash

【2】https://www.sciencealert.com/new-evidence-reveals-supermassive-black-holes-don-t-let-anything-escape

【3】https://academic.oup.com/mnras/article-lookup/doi/10.1093/mnras/stx542

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