科學家拆解黑洞陰影周圍的甜甜圈光環,由無數薄光子環組成

2020-11-22 十輪網

去年4月，我們第一次瞥見了宇宙中不可見的黑洞，看著這個位於M87星系中心的超大質量黑洞被一個明亮環島包圍，像一個甜甜圈，然而那張照片中，我們只知道環的直徑，不清楚環的「厚度」和更詳細的子結構。現在科學家發布了新的計算結果，表明光環由一系列子環組成，看起來就像電影畫面。

黑洞物理學是門美麗的學科，它由深厚而強大的理論構成，但相對地它也成為一門實驗科學，科學家通過驗證觀測黑洞的數據來鞏固理論。

每個星系中心都存在一個超大質量黑洞，天文學家過去通過分析星系中心周圍恆星、氣體的運動速度來推論黑洞性質，直到2019年4月10日，事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）團隊宣布，人類首度「直接」拍下距地球5,500萬光年遠的超大質量黑洞身影，該黑洞質量約太陽的65億倍，提供迄今為止超大質量黑洞存在的最有力證據。

不過有個小問題，事件視界望遠鏡拍下的光環明亮但無法分辨結構。光由稱為光子的粒子組成，當光因黑洞的引力而彎曲時，會形成所謂的光子環（photon ring），而愛因斯坦的廣義相對論預測，光環應由無限個相似的薄光子環組成，這些子環基於光子圍繞黑洞形成的軌道數而定。

現在，一組天文團隊發布新的計算結果，預測了在黑洞極端引力下彎曲的光會呈現驚人而複雜的子結構。研究人員解釋，每個光子環的直徑都差不多，只是變得越來越尖銳，因為光在到達觀察者之前已繞黑洞很多圈，去年EHT發布的圖像中，我們瞥見的只是綜合在一起的光子環。

光環的構成。

研究人員表示，這一系列子環就像電影畫面留下可見宇宙的歷史，光子環本質上是圍繞黑洞運動的「指紋」，藏有黑洞質量、形狀和旋轉信息的關鍵細節。

圖像再怎麼完美，也難以通過肉眼發現無數光子環結構，但對幹涉儀望遠鏡數組來說，光子環卻會呈現強而清晰的信號，只要現有事件視界虛擬州際望遠鏡中再加入一個太空望遠鏡，就足以進行精確測量。

新論文發布在《科學前緣》（Science Advances）期刊。

（圖片來源：哈佛-史密松天體物理中心）

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