天文學(xué)家在銀河系中心超大質(zhì)量黑洞外發(fā)現(xiàn)了一些熱點(diǎn)，它們的行動(dòng)讓我們更近距離地看到了那個(gè)充滿暴力的環(huán)境?？茖W(xué)家們第一次在銀河系中心的黑洞周圍發(fā)現(xiàn)了晃動(dòng)物體。測(cè)量結(jié)果表明，這種物質(zhì)可能由等離子體團(tuán)組成，并且正在物理定律允許的最內(nèi)層軌道附近旋轉(zhuǎn)。如果真是如此，天文學(xué)家們就有機(jī)會(huì)觀察黑洞周圍的“游樂場(chǎng)鏡像（funhouse-mirrored）時(shí)空”。隨著時(shí)間推移，額外觀察將會(huì)表明那些已知的物理定律是否真的描述了邊緣時(shí)空崩潰情況。天文學(xué)家已經(jīng)知道銀河系有一個(gè)黑洞，重約400萬個(gè)太陽。從地球上看，這個(gè)黑洞是人馬座中一個(gè)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么大。當(dāng)星際氣體旋轉(zhuǎn)進(jìn)入黑洞時(shí)，它會(huì)發(fā)光。在天文圖像中，一個(gè)微弱的紅外光標(biāo)記出銀河系的暗心，天文學(xué)家稱之為人馬座A*(念作“A星”)。

博科園-科學(xué)科普：15年來研究人員一直在觀察這一點(diǎn)，并想知道其中原因。有時(shí)它會(huì)在紅外光下亮度增強(qiáng)30倍，然后在幾分鐘內(nèi)消退。現(xiàn)在德國加興的馬普外層空間物理研究所的一個(gè)研究小組不僅以驚人精度測(cè)量了這個(gè)微塵的亮度，還測(cè)量了它的位置。發(fā)現(xiàn)當(dāng)它爆炸時(shí)，它也會(huì)順時(shí)針沿著一個(gè)小圓圈在天空中移動(dòng)。哈佛-史密森天體物理中心的天文學(xué)家謝普·德爾曼(Shep Doeleman)說：清楚地看到了一些變化，但那到底是什么，目前還不完全清楚。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種擺動(dòng)可能來自“熱點(diǎn)”，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(zhuǎn)。當(dāng)熱點(diǎn)盤旋時(shí)，黑洞的巨大引力將時(shí)空本身扭曲成一個(gè)透鏡，就像宇宙中閃爍的燈塔，也像銀河探照燈光束。

這個(gè)想法最早于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(xué)與哈佛大學(xué)艾維·勞埃伯（Avi Loeb）共同研究黑洞為什么會(huì)閃爍。加州大學(xué)洛杉磯分校(University of California, Los Angeles)歐洲研究小組的長期競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手、天文學(xué)家安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)補(bǔ)充說：似乎得到了一些真正令人興奮的東西。如果這些旋轉(zhuǎn)耀斑是由布羅德里克和勞埃伯設(shè)想的熱點(diǎn)引起，那么額外的耀斑將有助于揭示黑洞的“自旋”，即黑洞旋轉(zhuǎn)的測(cè)量值。這也為在黑洞口彎曲時(shí)空中戳穿愛因斯坦的廣義相對(duì)論提供了新途徑。布羅德里克說：偶爾出現(xiàn)的正確彌補(bǔ)了我在黑板上撓頭的次數(shù)，這就是為什么成為一名科學(xué)家如此有趣的原因。

位于智利塞羅帕拉納爾的超大望遠(yuǎn)鏡陣列上的4個(gè)望遠(yuǎn)鏡發(fā)出的光可以組合在一起，實(shí)際上就是一個(gè)巨大的望遠(yuǎn)鏡。圖片：ESO

1、GRAVITY

自上世紀(jì)90年代以來，加州大學(xué)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(lǐng)導(dǎo)的歐洲團(tuán)隊(duì)，一直在使用更加精確的技術(shù)來解決銀河系中心周圍恒星的軌道問題。今年夏天，根策爾的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于廣義相對(duì)論如何影響一顆經(jīng)過黑洞附近恒星的光的測(cè)量數(shù)據(jù)；蓋茲團(tuán)隊(duì)的一篇類似論文目前正在審查中，從實(shí)驗(yàn)開始在超大質(zhì)量黑洞附近探索引力如何工作的能力來看，這是一個(gè)了不起的時(shí)刻。自去年以來，歐洲團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擁有了獨(dú)特的四架巨型望遠(yuǎn)鏡，并在引力的項(xiàng)目中引用了它。

在一個(gè)夜晚，歐洲南方天文臺(tái)(European Southern Observatory)在Cerro Paranal架設(shè)了4臺(tái)8米高的望遠(yuǎn)鏡，俯瞰著智利的阿塔卡馬沙漠(Atacama desert)。GRAVITY利用干涉術(shù)的技術(shù)，將多個(gè)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果被結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生人造圖像，而這些圖像只有非常龐大的真實(shí)望遠(yuǎn)鏡才能制作出來。要在紅外線波長（接近人眼能感知的波長)中做到這一點(diǎn)，需要實(shí)時(shí)混合光線，以避免丟失關(guān)鍵信息。加興馬普物理學(xué)家以及GRAVITY的領(lǐng)導(dǎo)者弗蘭克·艾森豪爾（Frank Eisenhauer）說：7月22日當(dāng)人馬座A *爆發(fā)，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡所收集的光線都穿過一個(gè)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發(fā)寬度1/1000的路徑。

在一個(gè)3噸重的光學(xué)技術(shù)冷凍工具箱里，這些光波混合在一起，它們的波峰和波谷合并和抵消，產(chǎn)生不可思議的脆性位置測(cè)量。盡管如此，GRAVITY仍然沒有足夠高的分辨率來拍攝它所看到的三個(gè)耀斑。但它對(duì)天空中微弱的微點(diǎn)測(cè)量，將縮小導(dǎo)致射手座閃爍的原因的選擇范圍。如果能近距離觀看它們，這些耀斑可能是從黑洞向外發(fā)射的熱等離子體塊，它們由磁場(chǎng)聚焦并發(fā)射出去的物質(zhì)噴射而成。又或者，它們可能是在大飛盤中流出的熱氣團(tuán)（或者其他圓盤結(jié)構(gòu)，比如旋臂），而后流入黑洞。在所有情況中，光的閃爍和變暗將來自物質(zhì)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(tuán)。等離子體會(huì)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(chǎng)相互纏繞在一起，當(dāng)磁場(chǎng)突然形成新形狀時(shí)，就會(huì)噴射出熾熱的等離子體。類似的事情也可能發(fā)生在黑洞周圍的氣體中，黑洞也擁有強(qiáng)大的糾纏不清的磁場(chǎng)。在這種情況下，亮度調(diào)節(jié)不是由斑點(diǎn)團(tuán)本身控制，而是由斑點(diǎn)團(tuán)的軌道決定。當(dāng)它在一個(gè)巨大的黑洞中快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)的扭曲時(shí)空會(huì)將熱點(diǎn)光聚焦到一束光中。當(dāng)光束掃過地球時(shí)，我們可以測(cè)量黑洞的閃爍程度。布羅德里克說：黑洞就像燈塔的鏡片，當(dāng)它在我們周圍轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)向我們發(fā)出閃光。如果噴射物引起了黑洞閃爍，這種運(yùn)動(dòng)將是線性的，因?yàn)樾F(tuán)物會(huì)向外移動(dòng)并冷卻。如果是黑洞周圍圓盤上的團(tuán)塊造成的，運(yùn)動(dòng)就不會(huì)朝著任何特定的一致方向進(jìn)行。但該研究小組認(rèn)為，圓周運(yùn)動(dòng)支持軌道熱點(diǎn)。

波恩馬普射電天文學(xué)研究所的天體物理學(xué)家岡瑟·維澤爾(Gunther Witzel)說：有一個(gè)特別的事實(shí)讓我傾向于相信這個(gè)結(jié)果。GRAVITY還發(fā)現(xiàn)，耀斑在極化過程中移動(dòng)發(fā)出的光，遵循與軌道運(yùn)動(dòng)相同的粗略時(shí)間尺度，熱點(diǎn)發(fā)出的光將被極化，當(dāng)光斑穿過彎曲時(shí)空時(shí)，它的偏振會(huì)在整個(gè)軌道上扭曲。對(duì)于天體物理學(xué)家來說，這種在獨(dú)特環(huán)境下對(duì)等離子體的任何一個(gè)小動(dòng)作都很有趣。慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)(Ludwig Maximilian University)的宇宙學(xué)家尼科哈馬斯(Nico Hamaus)說：我們面對(duì)著一個(gè)完全陌生的新環(huán)境，這就是為什么人們對(duì)正在發(fā)生的事情有如此模糊的想法。不過，現(xiàn)在理論家們希望這些熱點(diǎn)區(qū)域能夠讓人們對(duì)愛因斯坦的引力理論產(chǎn)生強(qiáng)烈的疑問。

2、探知視界

假設(shè)我們將去黑洞旅行，當(dāng)你接近黑洞時(shí)，一般而言你有一次回頭的機(jī)會(huì)——黑洞邊緣視界。但也許你回頭的時(shí)機(jī)將更早——天體物理學(xué)家稱之為最內(nèi)部穩(wěn)定的圓形軌道(ISCO)。在星系中心黑洞周圍的熱點(diǎn)似乎在這個(gè)邊界之外軌道上運(yùn)行。這種軌道的存在是牛頓和愛因斯坦引力理論的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)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(zhuǎn)。但在愛因斯坦看來，旋轉(zhuǎn)能量需要更多引力。在一定的距離范圍內(nèi)，跑得更快只會(huì)加速你的墮落。如果黑洞是東西消失的排水溝的話，這個(gè)最內(nèi)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(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度決定了ISCO的位置，以及一個(gè)熱點(diǎn)在給定半徑內(nèi)軌道得運(yùn)行時(shí)間。

廣義相對(duì)論認(rèn)為，除了質(zhì)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(yùn)行。蓋茲和根策爾已經(jīng)確定了黑洞的質(zhì)量。雖然他們還不能計(jì)算出它的自旋，但隨后的耀斑，尤其是較亮的耀斑，應(yīng)該有助于確定它的位置。黑洞的自旋會(huì)拖曳周圍空間，改變附近物體進(jìn)入軌道所需的時(shí)間。當(dāng)GRAVITY建立了一個(gè)耀斑目錄，探測(cè)它們以不同半徑繞黑洞運(yùn)行的軌道需要多長時(shí)間，科學(xué)家們將能夠推斷出黑洞自旋是什么。當(dāng)然這是假設(shè)廣義相對(duì)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(zhì)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(diào)整。

除此之外還有一個(gè)更令人興奮的機(jī)會(huì)即將到來，來自于視界望遠(yuǎn)鏡或者EHT，正在努力解決銀河系中心黑洞周圍時(shí)空問題。EHT團(tuán)隊(duì)目前正在研究他們的數(shù)據(jù)，希望在2019年的某個(gè)時(shí)候發(fā)布。EHT也通過干涉測(cè)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(fā)射引力線長一千倍。它的組成部分覆蓋整個(gè)世界，而不僅僅是智利的一個(gè)山頂。當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)，這些天文臺(tái)掃過的空間，將會(huì)收集更多的信息。在耀斑期間GRAVITY以驚人的精度——每30秒測(cè)量一次黑洞的位置，而EHT的目標(biāo)則不同：圍繞在黑洞邊緣ISCO內(nèi)部無線電波彎曲的長曝光圖像。

EHT的主管、哈佛大學(xué)的德爾曼(Doeleman)說：但是GRAVITY發(fā)現(xiàn)的像熱點(diǎn)一樣的擺動(dòng)提供了一個(gè)新機(jī)會(huì)，如果這些事件經(jīng)常發(fā)生，而且看起來確實(shí)如此，那對(duì)每個(gè)人來說都是好消息。如果振動(dòng)也發(fā)生在無線電波長，EHT可以跟蹤它們的微小移動(dòng)位置。如果他們相信環(huán)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(gè)晚上消失，團(tuán)隊(duì)可以打破他們的長時(shí)間曝光成連續(xù)的幀，用數(shù)學(xué)模型來產(chǎn)生一個(gè)實(shí)際電影環(huán)繞的熱點(diǎn)。德爾曼說：我們可以用互補(bǔ)的方式，用不同的儀器測(cè)試同樣的東西，這才是真正的科學(xué)。

博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn):《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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