接近黑洞的邊緣？探索黑洞事件視界
天文學家在銀河系中心超大質量黑洞外發現了一些熱點，它們的行動讓我們更近距離地看到了那個充滿暴力的環境。科學家們第一次在銀河系中心的黑洞周圍發現了晃動物體。測量結果表明，這種物質可能由等離子體團組成，並且正在物理定律允許的最內層軌道附近旋轉。如果真是如此，天文學家們就有機會觀察黑洞周圍的「遊樂場鏡像（funhouse-mirrored）時空」。隨著時間推移，額外觀察將會表明那些已知的物理定律是否真的描述了邊緣時空崩潰情況。天文學家已經知道銀河系有一個黑洞，重約400萬個太陽。從地球上看，這個黑洞是人馬座中一個密集、微小的物體，從紐約望去，它在天空中的大小只有洛杉磯草莓種子那麼大。當星際氣體旋轉進入黑洞時，它會發光。在天文圖像中，一個微弱的紅外游標記出銀河系的暗心，天文學家稱之為人馬座A*(念作「A星」)。
博科園-科學科普：15年來研究人員一直在觀察這一點，並想知道其中原因。有時它會在紅外光下亮度增強30倍，然後在幾分鐘內消退。現在德國加興的馬普外層空間物理研究所的一個研究小組不僅以驚人精度測量了這個微塵的亮度，還測量了它的位置。發現當它爆炸時，它也會順時針沿著一個小圓圈在天空中移動。哈佛-史密森天體物理中心的天文學家謝普·德爾曼(Shep Doeleman)說：
清楚地看到了一些變化，但那到底是什麼，目前還不完全清楚。團隊認為這種擺動可能來自「熱點」，磁加熱的等離子體以接近光速三分之一的速度在黑洞張開的大洞上方繞軌道旋轉。當熱點盤旋時，黑洞的巨大引力將時空本身扭曲成一個透鏡，就像宇宙中閃爍的燈塔，也像銀河探照燈光束。
天文學家在銀河系中心超大質量黑洞的最內層軌道外發現了一些事物。圖片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
這個想法最早於2005年由A·布羅德里克（A.Broderick）提出，他如今在加拿大圓周理論物理研究所和滑鐵盧大學與哈佛大學艾維·勞埃伯（Avi Loeb）共同研究黑洞為什麼會閃爍。加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)歐洲研究小組的長期競爭對手、天文學家安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)補充說：似乎得到了一些真正令人興奮的東西。如果這些旋轉耀斑是由布羅德里克和勞埃伯設想的熱點引起，那麼額外的耀斑將有助於揭示黑洞的「自旋」，即黑洞旋轉的測量值。這也為在黑洞口彎曲時空中戳穿愛因斯坦的廣義相對論提供了新途徑。布羅德里克說：偶爾出現的正確彌補了我在黑板上撓頭的次數，這就是為什麼成為一名科學家如此有趣的原因。
位於智利塞羅帕拉納爾的超大望遠鏡陣列上的4個望遠鏡發出的光可以組合在一起，實際上就是一個巨大的望遠鏡。圖片：ESO
1、GRAVITY自上世紀90年代以來，加州大學洛杉磯分校的蓋茲（GHEZ）小組和由德國加興馬普外層空間物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）領導的歐洲團隊，一直在使用更加精確的技術來解決銀河系中心周圍恆星的軌道問題。今年夏天，根策爾的團隊發表了一項關於廣義相對論如何影響一顆經過黑洞附近恆星的光的測量數據；蓋茲團隊的一篇類似論文目前正在審查中，從實驗開始在超大質量黑洞附近探索引力如何工作的能力來看，這是一個了不起的時刻。自去年以來，歐洲團隊已經擁有了獨特的四架巨型望遠鏡，並在引力的項目中引用了它。
在一個夜晚，歐洲南方天文台(European Southern Observatory)在Cerro Paranal架設了4台8米高的望遠鏡，俯瞰著智利的阿塔卡馬沙漠(Atacama desert)。GRAVITY利用干涉術的技術，將多個望遠鏡的觀測結果被結合在一起，從而產生人造圖像，而這些圖像只有非常龐大的真實望遠鏡才能製作出來。要在紅外線波長（接近人眼能感知的波長)中做到這一點，需要實時混合光線，以避免丟失關鍵信息。加興馬普物理學家以及GRAVITY的領導者弗蘭克·艾森豪爾（Frank Eisenhauer）說：7月22日當人馬座A *爆發，每個望遠鏡所收集的光線都穿過一個Rube Goldberg式的鏡子和光纜，這些鏡子和光纜追蹤出一條總長度不超過頭髮寬度1/1000的路徑。
在一個3噸重的光學技術冷凍工具箱里，這些光波混合在一起，它們的波峰和波谷合併和抵消，產生不可思議的脆性位置測量。儘管如此，GRAVITY仍然沒有足夠高的解析度來拍攝它所看到的三個耀斑。但它對天空中微弱的微點測量，將縮小導致射手座閃爍的原因的選擇範圍。如果能近距離觀看它們，這些耀斑可能是從黑洞向外發射的熱等離子體塊，它們由磁場聚焦並發射出去的物質噴射而成。又或者，它們可能是在大飛盤中流出的熱氣團（或者其他圓盤結構，比如旋臂），而後流入黑洞。在所有情況中，光的閃爍和變暗將來自物質本身的熾熱冷卻。布羅德里克和勞埃伯想法也涉及到被熱摧毀的等離子體團。等離子體會在黑洞附近形成，就像太陽耀斑一樣。
在太陽表面上，荊棘狀的磁場相互纏繞在一起，當磁場突然形成新形狀時，就會噴射出熾熱的等離子體。類似的事情也可能發生在黑洞周圍的氣體中，黑洞也擁有強大的糾纏不清的磁場。在這種情況下，亮度調節不是由斑點團本身控制，而是由斑點團的軌道決定。當它在一個巨大的黑洞中快速旋轉時，廣義相對論預測的扭曲時空會將熱點光聚焦到一束光中。當光束掃過地球時，我們可以測量黑洞的閃爍程度。布羅德里克說：黑洞就像燈塔的鏡片，當它在我們周圍轉動時，它會向我們發出閃光。如果噴射物引起了黑洞閃爍，這種運動將是線性的，因為小團物會向外移動並冷卻。如果是黑洞周圍圓盤上的團塊造成的，運動就不會朝著任何特定的一致方向進行。但該研究小組認為，圓周運動支持軌道熱點。
波恩馬普射電天文學研究所的天體物理學家岡瑟·維澤爾(Gunther Witzel)說：有一個特別的事實讓我傾向於相信這個結果。GRAVITY還發現，耀斑在極化過程中移動發出的光，遵循與軌道運動相同的粗略時間尺度，熱點發出的光將被極化，當光斑穿過彎曲時空時，它的偏振會在整個軌道上扭曲。對於天體物理學家來說，這種在獨特環境下對等離子體的任何一個小動作都很有趣。慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(Ludwig Maximilian University)的宇宙學家尼科哈馬斯(Nico Hamaus)說：我們面對著一個完全陌生的新環境，這就是為什麼人們對正在發生的事情有如此模糊的想法。不過，現在理論家們希望這些熱點區域能夠讓人們對愛因斯坦的引力理論產生強烈的疑問。
2、探知視界假設我們將去黑洞旅行，當你接近黑洞時，一般而言你有一次回頭的機會——黑洞邊緣視界。但也許你回頭的時機將更早——天體物理學家稱之為最內部穩定的圓形軌道(ISCO)。在星系中心黑洞周圍的熱點似乎在這個邊界之外軌道上運行。這種軌道的存在是牛頓和愛因斯坦引力理論的一個關鍵區別。在牛頓引力理論中，只要你不斷提高速度，就可以隨心所欲地繞著物體旋轉。但在愛因斯坦看來，旋轉能量需要更多引力。在一定的距離範圍內，跑得更快只會加速你的墮落。如果黑洞是東西消失的排水溝的話，這個最內部的圓形軌道就像是水槽。圍繞著邊緣飛行的光源是大自然母親給與我們的禮物，黑洞的質量和旋轉速度決定了ISCO的位置，以及一個熱點在給定半徑內軌道得運行時間。
廣義相對論認為，除了質量和自旋外，沒有其他因素決定物體如何圍繞天體物理黑洞運行。蓋茲和根策爾已經確定了黑洞的質量。雖然他們還不能計算出它的自旋，但隨後的耀斑，尤其是較亮的耀斑，應該有助於確定它的位置。黑洞的自旋會拖曳周圍空間，改變附近物體進入軌道所需的時間。當GRAVITY建立了一個耀斑目錄，探測它們以不同半徑繞黑洞運行的軌道需要多長時間，科學家們將能夠推斷出黑洞自旋是什麼。當然這是假設廣義相對論是正確的情況下所做的推斷，黑洞周圍物體的軌道完全由黑洞的質量和自旋決定。如果存在影響這些軌道的其他因素，這可能暗示著愛因斯坦的理論需要調整。
德國加興馬普外層空間物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)天體物理學家萊因哈德·根策爾使用超大望遠鏡陣列中的四個望遠鏡來研究銀河系中心黑洞的周圍區域。圖片：Max Plank Institute for Physics
除此之外還有一個更令人興奮的機會即將到來，來自於視界望遠鏡或者EHT，正在努力解決銀河系中心黑洞周圍時空問題。EHT團隊目前正在研究他們的數據，希望在2019年的某個時候發布。EHT也通過干涉測量來抑制其不可能的清晰視覺。但是它在無線電波下工作，比紅外發射引力線長一千倍。它的組成部分覆蓋整個世界，而不僅僅是智利的一個山頂。當地球旋轉時，這些天文台掃過的空間，將會收集更多的信息。在耀斑期間GRAVITY以驚人的精度——每30秒測量一次黑洞的位置，而EHT的目標則不同：圍繞在黑洞邊緣ISCO內部無線電波彎曲的長曝光圖像。
EHT的主管、哈佛大學的德爾曼(Doeleman)說：但是GRAVITY發現的像熱點一樣的擺動提供了一個新機會，如果這些事件經常發生，而且看起來確實如此，那對每個人來說都是好消息。如果振動也發生在無線電波長，EHT可以跟蹤它們的微小移動位置。如果他們相信環繞黑洞的東西在過去的觀察——比如，在過去和引力看著相同的耀斑在同一個晚上消失，團隊可以打破他們的長時間曝光成連續的幀，用數學模型來產生一個實際電影環繞的熱點。德爾曼說：我們可以用互補的方式，用不同的儀器測試同樣的東西，這才是真正的科學。
博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《天文與天體物理》
文：Joshua Sokol/Quanta magazine/Quanta Newsletter
論文pdf：aanda.org/articles/aa/pdf/2018/10/aa34294-18.pdf
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