用黑洞陰影測試引力理論能力

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我們能區分黑洞嗎？法蘭克福天體物理學家，波恩馬克斯·普朗克射電天文研究所以及Nijmegen，在BlackHoleCam項目中合作，通過計算非愛因斯坦的黑洞的第一個圖像來回答這個問題：目前很難分辨出它們與標準黑洞的區別。關於愛因斯坦的相對論，最基本的預言之一就是黑洞的存在。儘管最近通過LIGO發現了來自二進位黑洞的引力波，但是使用電磁波的直接證據仍然是難以捉摸的，天文學家們正在用射電望遠鏡尋找它。

合成陰影圖像的Sgr A*為一個Kerr黑洞(頂行)和一個非旋轉的dilaton黑洞(底部行)。在每一種情況下，左邊的面板是指由一般相對論磁鈴動力學模擬產生的圖像，而右邊的面板是指在考慮到現實的觀測條件後重建的圖像。圖片：Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla (Frankfurt)

第一次BlackHoleCam合作者在倫理委員會資助項目,包括法蘭克福歌德大學天體物理學家、馬克斯·普朗克射電天文學研究所(MPIfR)波恩和內梅亨大學奈梅亨,相比自洽和現實的影子圖像的吸積黑洞——例如黑洞候選人馬座A *(Sgr A *)在我們銀河系的中心——無論是在廣義相對論和引力理論不同。我們的目標是測試愛因斯坦的黑洞是否可以與其他重力理論的黑洞區別開來。

不是所有由物質落入黑洞產生的光線(或光子)都被黑洞所困，這是一個時空的區域，沒有任何東西可以逃脫。其中一些光子會到達遙遠的觀測者，所以當一個黑洞被直接觀測到的時候，在背景的天空中會出現一個「陰影」。這個陰影的大小和形狀取決於黑洞的性質和引力理論。

因為從愛因斯坦的相對論中最大的偏差被認為是非常接近視界的，而且由於引力的替代理論對影子的性質做出了不同的預測，所以Sgr A*的直接觀測代表了一種非常有前途的方法來測試最強大的體系中的引力。製造黑洞陰影的圖像是國際事件視界望遠鏡合作(EHTC)的首要目標，它將來自世界各地望遠鏡的無線電數據結合在一起。

科學家BlackHoleCam團隊在歐洲,那些EHTC的一部分，現在已經進一步調查是否可以區分「克爾黑洞從愛因斯坦的重力和「dilaton」黑洞，這是一個可能的解決方案的另一個的引力理論。研究人員研究了物質墜入兩種非常不同類型的黑洞的演化過程，並計算出產生這些圖像的輻射。

此外望遠鏡和星際介質的真實物理條件被用來創造物理逼真的圖像。為了捕捉不同黑洞的影響，我們使用了接近相同初始設置的吸積盤的真實模擬。這些昂貴的數值模擬使用了最先進的代碼，並在研究所的超級計算機LOEWE上使用了幾個月的時間。此外，預期的無線電圖像顯然具有有限的解析度和圖像逼真度。當使用現實的圖像解析度時，科學家們驚奇地發現，即使是高度非愛因斯坦的黑洞也可以將自己偽裝成正常的黑洞。

研究結果表明，在引力理論中，黑洞可以假以愛因斯坦的身份出現，因此分析EHT數據的新技術可能需要把它們區分開來，」法蘭克福大學的教授、法蘭克福團隊的負責人Luciano Rezzolla說。「雖然我們認為廣義相對論是正確的，但作為科學家，我們需要思想開放。」幸運的是，未來的觀察和更先進的技術將最終解決這些疑問。

事實上正在積極尋找的來自軌道脈管的獨立信息，將有助於消除這些含糊不清的信息，」邁克爾·克雷默(Michael Kramer)說，他是波恩無線電天文研究所(MPI)的主管。Heino Falcke (Radboud University的教授)，20年前提出用射電望遠鏡來成像黑洞的陰影，他對此持樂觀態度。毫無疑問，EHT最終會獲得黑洞陰影的有力證據。這些結果鼓勵我們改進我們的技術，超越當前的藝術狀態，從而使未來的圖像更加清晰。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻：Nature Astronomy｜來自：馬克斯普朗克協會

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