在星系中心通常隱居了一個貪婪而暴戾的黑洞，通過自身強大的引力作用和能量的超級噴發(fā)，中心黑洞影響了周圍物體的成長和死亡。卡福利研究所之粒子天體物理學和宇宙學研究室的羅杰·布蘭德福德主任是一名國家科學院的院士，他認為黑洞對星系的形成和星系的環(huán)境產(chǎn)生了主要的作用，黑洞在壽命期內(nèi)釋放的能量比一個星系中所有恒星釋放能量的總和還要多，黑洞蘊含和釋放的能量屬于宇宙的超級能量。在靠近黑洞視界的區(qū)域，引力的作用十分強烈，已知宇宙中運動速度最快的光子也無法逃脫黑洞的引力捕獲。

黑洞是漆黑一團的不發(fā)光天體，人們不可能直接觀測到黑洞的存在，科學家找到了發(fā)現(xiàn)不可見天體的方法，觀測黑洞對周圍天體的影響，通過間接法尋找黑洞的蹤跡。黑洞周圍的伴隨恒星和翻涌的氣體云團物可以成為天文學家的觀測對象，他們設法獲得了黑洞周圍的物理信息，創(chuàng)建了計算機模型，通過計算機的模擬技術來理解這些物理信息的含義，預測遙遠太空中黑洞的存在和屬性，然而，理論模型再好，也不能僅停留在假設的層面，完美的理論模型與物理觀測的結果保持一致。

馬里蘭大學帕克分校的物理學助理教授喬納森·麥金尼解釋說，幾乎所有在弱重力場進行的檢驗都驗證了愛因斯坦的廣義相對論，實驗數(shù)據(jù)都落在了以愛因斯坦的公式計算出的線型上，然而，廣義相對論在強引力場的有效性有待檢驗。顯而易見的是超強引力場或靠近了黑洞，或在黑洞內(nèi)部，對黑洞引力場的檢驗極其困難，物理學家一直沒有在重引力場的環(huán)境檢驗廣義相對論的有效性，“黑洞實驗室”無疑是最終檢驗的最佳場所。不能直接觀測到黑洞，人們可以尋找替代性的檢測場合，吸積盤是黑洞周圍典型的伴隨物體，一個由超熱物質(zhì)組成的蝶狀旋轉(zhuǎn)盤，吸積盤位于黑洞視界的外側(cè)。

對黑洞噴流的觀測可以代替對黑洞本身的觀測，黑洞噴流是由電離化氣體形成的高能束流，噴發(fā)的距離延伸到了數(shù)十億光年的范圍，黑洞噴流穿越了茫茫太空，構成了宇宙中一幅極為壯麗的畫卷。2013年1月，《科學》雜志發(fā)表了由麥金尼、切科夫斯克伊和布蘭德福德共同探測的成果，在吸積盤的中心處，黑洞噴發(fā)的能量流產(chǎn)生了變形和彎曲的效應，比科學家之前預測的彎曲值要大，黑洞噴流的變形和彎曲與疊加效應有關，一是黑洞有極強的引力，二是黑洞的旋轉(zhuǎn)帶來了極強的磁力。

高度細節(jié)化和抽象化的理論模型模擬了黑洞的環(huán)境，創(chuàng)建了黑洞模型的知識系統(tǒng)，幾十年來，過于簡單的吸積盤和黑洞兩極噴發(fā)的模型主導了黑洞學的研究，過于簡單的模型將吸積盤抽象為太空的一塊平板，“躺平”的吸積盤內(nèi)邊緣處于黑洞引力范圍的外邊緣，黑洞噴流從垂直于吸積盤的兩則向上下兩個方向同時噴出?？茖W團隊應用了計算機的3D技術，立體化地模擬了黑洞噴流的圖像，國家科學基金會之極端科學和工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境（XSEDE）分會和NASA的科研人員為科學團隊提供了超級計算機技術的支持，科學團隊開發(fā)的模型推翻了過于簡單的吸積盤和黑洞噴流的模型。

在科學團隊開發(fā)的模擬中，噴流的軸線與黑洞的旋轉(zhuǎn)軸合在一起，逐漸形成的噴流軸線受到了吸積盤物質(zhì)的推壓，噴流彎曲成了與吸積盤旋轉(zhuǎn)軸平行的方向，噴流中心軸和吸積盤中心軸在開始時產(chǎn)生了一個較大的偏移量。噴流和吸積盤產(chǎn)生了交互作用，形成了彎曲吸積盤的物質(zhì)分布密度。普林斯頓大學理論科學中心的博士后研究員亞歷山大·切科夫斯克伊解釋說，穿越了黑洞的磁場強度是一個重要因素，磁場強度在以往的黑洞學研究中只是一個自由的參數(shù)，科學團隊的研究顯示，磁場強度有極大值，磁力對吸積盤的作用與黑洞的引力同樣強大。

吸積盤的扭曲能量增長到了極大的程度，實際上驅(qū)動了噴流的爆發(fā)，新的理論解釋與過去的理論解釋剛好相反，強大的噴流對吸積盤進行了再調(diào)整，吸積盤反而沒有對黑洞的噴流過程進行再調(diào)整。以往的科學家一直認為，吸積盤占據(jù)了主導方面，打一個形象的比喻，吸積盤好像一只狗，噴流則好像狗尾巴的擺動?？茖W團隊的研究模型表明，黑洞的磁場作用實際上高過了引力，導致了噴流占據(jù)了主導方面，噴流成了一只狗，吸積盤則成了擺動的尾巴，吸積盤和噴流的主次性發(fā)生了顛倒性的變化，吸積盤隨從噴流的變化，不是噴流隨從吸積盤的變化，打一個形象的比喻，在吸積盤和噴流的平衡機制中，“狗”在追逐自己的“尾巴”，吸積盤追逐了噴流的擺動。

天文學家比以往任何時候都要了解吸積盤和噴流相互變動的細節(jié)方面。2012年12月，麻省理工的研究人員謝博·杜勒曼在《科學》雜志發(fā)表了成果，第一次描繪了黑洞噴流的圖景。杜勒曼拍攝了一個位于星系M87中心超大質(zhì)量黑洞的圖像，M87是一個臨近銀河系的星系，杜勒曼和科學團隊的成員使用了“視界”望遠鏡，這是由4部長距離基線干涉望遠鏡（VLBI）構成的陣列，4部望遠鏡分布在3個選定的地點。遙遠的黑洞噴流在廣闊的太空背景好似一束小巧的細長條，如此的景象給科研人員帶來了無限遐想，麥金尼、切科夫斯克伊和布蘭德福德獲得了黑洞附近區(qū)域綜合性的觀測數(shù)據(jù)，在今后3到5年，科學團隊期待得到更多的觀測信息。

卡福利研究所的羅杰·布蘭德福德解釋說，科學團隊發(fā)現(xiàn)，黑洞周圍的氣體物質(zhì)發(fā)生了猛烈的翻涌和扭轉(zhuǎn)，通過對周圍氣體的光譜學分析，科學團隊推斷，氣體物質(zhì)包裹了一個劇烈旋轉(zhuǎn)的黑洞，觀測結果或與科學團隊創(chuàng)建的理論模型有一致性，或出現(xiàn)了不同的結果。沒有一個準確的模型，對可能發(fā)生的任何事件，科研人員都不能給出特定的約束條件，假如找不到對愛因斯坦理論進行檢驗的方法。有了一個準確的模型，可以在愛因斯坦方程式的基礎上觀測黑洞附近的區(qū)域。

理論模型和觀測結果的比較或者保持一致，或者產(chǎn)生了差異，兩者的不一致意味著非同尋常的觀測情形，愛因斯坦的理論和方程式也許錯了，廣義相對論在超強引力場失效了。布蘭德福德和同事應用了超級計算機技術，創(chuàng)建了新型的黑洞模型，采用了數(shù)字轉(zhuǎn)換技術，有關黑洞的物理指標被轉(zhuǎn)化為視覺信號，使得黑洞看起來如同從望遠鏡觀測到的數(shù)十億光年遠的天體。科學團隊正在完善現(xiàn)有的模型參數(shù)，以便模擬效果更接近觀測的事實，不僅檢驗吸積盤和噴流既有的理論認識，了解和掌握吸積盤和噴流的概念、形成和運行的機制，而且在黑洞的場所最終檢驗廣義相對論的有效性。

（編譯：2021-4-1）

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