黑洞「無限子環」:神秘環狀結構保存宇宙珍貴信息

2020-12-23 新浪科技

來源：新浪科技

黑洞視界望遠鏡拍攝到超大質量黑洞圖像，該黑洞的陰影位於M87星系中心區域。

新浪科技訊 北京時間4月7日消息，據美國太空網站報導，科學家拍攝的黑洞圖像比之前預想的更強大，更具啟示性，2019年4月，黑洞視界望遠鏡項目（EHT）首次公布了黑洞圖像，這些具有裡程碑意義的照片為科學家打開探索宇宙的一扇大門，讓他們能以前所未有的方式探索奇特的宇宙領域。

　黑洞光子環可能由無數子環構成

未來幾年，科學家將更加深入地探索黑洞，最新一項研究表明，黑洞視界望遠鏡拍攝到黑洞最顯著的特徵——即M87超大質量黑洞周圍環繞著一個明亮、神秘的環狀結構，但是，迄今黑洞環的結構仍是一個未解謎團，很可能黑洞環中包含稀薄的「光子環」，這個光子環是由無限數列的子環構成。

研究小組稱，光子環的複雜結構保存著有關黑洞的珍貴信息，科學家能夠通過擴展黑洞視界望遠鏡觀測範圍，獲取這些重要信息。

研究報告作者、哈佛-史密森天體物理中心天體物理學家麥可·詹森（Michael Johnson）說：「黑洞送給了我們一個禮物，黑洞光子環所包含的信息不同於天文學家所研究過的任何天體目標。這些照片能更便於我們了解黑洞，實際上是一種更全新的測量方法。」

黑洞視界望遠鏡項目是由分布全球各地的8個陸基射電望遠鏡組成的網絡，這些望遠鏡連接在一起構成一個地球大小的虛擬設備，該技術被稱為「甚長基線幹涉測量技術（VLBI）」。

這個龐大的望遠鏡網絡一直在觀測兩個超大質量黑洞，一個是M87黑洞，它距離地球5350萬光年，大約是太陽質量的65億倍；另一個是銀河系中心黑洞，它被稱為人馬座A*，它距離地球26000光年，質量大約是太陽的430萬倍。

首先，EHT研究人員觀察了M87黑洞，該黑洞在短時間內變化較小，因此他們希望儘快獲得人馬座A*的圖像數據。由於黑洞會吞噬光線，這些圖像並未描繪出黑洞內部狀況，然而EHT項目提供了黑洞輪廓，描繪出黑洞視界，該區域的任何事物都無法逃離黑洞的引力束縛。

EHT項目圖像顯示，M87黑洞的側影被一個明亮的光子噴射環包圍著，光子噴射環是由環繞超大質量黑洞的快速移動熾熱等離子構成。在這項最新研究中，詹森和同事認為，這個黑洞光子環是天文學家能夠深入探索的重要資源。

　黑洞子環就像電影的幀數

在愛因斯坦的廣義相對論中，黑洞釋放光環中內嵌一個「光子環」，其自身是一個複雜的無限子環結構。

一篇最新論文中指出，這組子環就像一部電影的幀數，能夠從黑洞洞悉宇宙的歷史。觀看這部「電影」可以揭曉有關黑洞和引力性質的關鍵因素，例如：詳細描述黑洞子環可以幫助科學家確定黑洞的質量和旋轉，這兩個特性可以定義這些奇特的黑洞。

一旦你知道黑洞的這兩個參數，就會認為自己知道關於黑洞的一切，當前EHT觀測允許黑洞質量與實際質量存在10%誤差，但並未揭示關於黑洞旋轉的太多信息，但是地球之外的太空望遠鏡或許會發現重要數據。

　比地球更大的望遠鏡

EHT聯盟是一支國際研究小組，成員大約有200名研究人員，長期致力於將人類觀測範圍擴大至太空領域，前提是資金充足。畢竟更大的望遠鏡，例如：通過甚長基線幹涉測量技術（VLBI）連接在一起的望遠鏡網絡勘測能力更強大。

但這一前景計劃存在巨大挑戰，因為計算數據顯示，至少需要6個太空望遠鏡架構才能顯著提高黑洞視界望遠鏡的解析度。然而，最新研究表明，研究黑洞子環並不需要如此大的資金支出。研究人員認為，只有黑洞視界望遠鏡只要延伸至足夠遠的太空區域，即使是一顆人造衛星，或者僅是主太空飛行器上的機載儀器，也有可能做到這一點。

即使在地球同步軌道上，這種太空黑洞視界望遠鏡解析度將大幅增強，這裡指的是距離地球表面大約35730公裡的太空區域，同時，對於一個太空區域適當擴展的黑洞視界望遠鏡，子環信息很容易被測量。

這看起來像是魔法，在這種情況下，我們甚至能將黑洞視界望遠鏡解析度提高兩倍，如果通過一條很長的天基線路，我們也許能將黑洞視界望遠鏡解析度增強100倍。這樣的太空黑洞視界望遠鏡將形成一個龐大的網絡，甚至比地球更大。

這一裡程碑項目並非近在眼前，但也可能不會太遙遠，黑洞視界望遠鏡可能需要10年的時間去獲得一個太空組件。（葉傾城）

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