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爱因斯坦的预言再次成真,物理学家首次看到黑洞后面反射的光

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天体物理学家检测到了来自黑洞远端的光,他们使用望远镜观测到了爱因斯坦广义相对论预言的、但尚未直接观测到的物理现象。新的发现证实了黑洞是如何扭曲光线的。


一组研究人员最近检查了由超大质量黑洞 “Zwicky 1” 产生的日冕耀斑。他们发现,耀斑产生的一些 X 射线被黑洞盘的远端反射,并被其引力场弯曲。这与引力透镜效应不同。引力透镜效应是指,当光线在一个大质量物体周围发生弯曲时,我们对远处物体的观察就会发生扭曲。 在这种情况下,来自日冕耀斑的 X 射线从黑洞的吸积盘反射回来,围绕黑洞弯曲,然后返回到研究人员的望远镜。 该团队的分析发表在今天《自然》杂志上。

斯坦福大学的天体物理学家丹·威尔金斯(Dan Wilkins)解释道:“任何进入黑洞的光都不会出来,所以我们不应该能看到黑洞后面的任何东西。我们之所以能看到的原因是,因为那个黑洞正在扭曲空间、弯曲光线并扭曲自身周围的磁场。”

黑洞的引力如此之强,以至于一旦被吸入,就连光都无法逃脱。落入黑洞的物质会被强大的力量拉开 —— 即使在原子尺度上也被撕裂 —— 在宇宙周围形成一团过热的磁化等离子体结构。这些带电等离子体形成了黑洞吸积盘的大部分(大多数超大质量黑洞周围的大型 DVD 状物质聚集体),并导致了黑洞的磁场。当这些磁场形成弧形并汇聚时,它们会在黑洞非常热的外围引起明亮的耀斑,类似于太阳日冕中发生的耀斑。


上图:图示说明了光线是如何从黑洞后面反射出来的。

爱因斯坦提出了黑洞强大的引力可以使光绕自身弯曲的想法,但观测技术需要一段时间才能赶上(而且并没有完全赶上)。 斯坦福大学粒子物理学家罗杰·布兰德福德表示:“五十年前,当天体物理学家推测磁场在接近黑洞时的行为时,他们不知道有朝一日我们将拥有直接观察这一现象并看到爱因斯坦广义相对论在起作用的技术。 ”

最近对黑洞远端光线的观测,是使用欧洲航天局的 X 射线多镜任务 (XMM-Newton) 望远镜和 NASA 的 NuSTAR 望远镜进行的。该团队使用望远镜观察了距离地球约 8 亿光年,宽达 1860 万英里的黑洞发出的明亮 X 射线耀斑。但是,他们发现这些明亮的爆发之后,还伴随着令人惊讶的少量X射线爆发。这表明第二轮 X 射线是早期爆发的回声,从黑洞的背面反射而来的。

麻省理工学院的观测天体物理学家艾琳·卡拉虽然没有参与这项研究,但她对此的评价是,这项工作是“混响光回声在行动中的一个非常好的演示”。重要的是,威尔金斯的团队显示了每一次耀斑发生所需的能量,这有助于表明回声耀斑的特性:被黑洞物理扭曲的耀斑的反射,而不仅仅是黑洞日冕中其他较小的耀斑。

天体物理学家们在其他吸积黑洞中也观察到了混响,包括来自超大质量和恒星质量的吸积黑洞,但通常需要在一系列时间尺度上对许多耀斑进行平均,才能看到这样的信号。虽然,这一观测结果并没有改变科学家对黑洞吸积的总体看法,但它很好地证实了广义相对论在这些系统中发挥的作用。

能再次确认广义相对论的另一个关键预测着实令人欣慰,但由于其他几个原因,这一发现也相当令人兴奋。

首先,能够发现任何关于黑洞的新东西真的很棒。它们是非常狡猾的宇宙野兽(看不见,而且周围的空间如此极端),以至于观测研究相当具有挑战性。

同时,这也是对我们已经走了多远的衡量标准,我们可以用我们的仪器和分析技术进行这种细粒度的观察。研究人员说,黑洞科学只会变得更好,新一代望远镜已经准备在天空中睁开眼睛。

而更精确的望远镜也可以让天体物理学家更好地理解这些物理现象,以及黑洞的其他奇异行为。理论往往超前于观察,因为我们更多地受到技术的限制,而不是自己的创造力。但对自然界中最极端的物体而言,肯定会有更多令人费解的认识。

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