愛因斯坦又預測對了，科學家首次證實黑洞周圍存在著墜落區(qū)

IT之家 5 月 28 日消息，牛津大學科學家領導的國際團隊證實了愛因斯坦廣義相對論中一個關于黑洞的關鍵預測，首次證明黑洞周圍存在著一個“墜落區(qū)（plunging region）”，即物質(zhì)不再像螺旋一樣圍繞黑洞旋轉而是直接墜入黑洞的區(qū)域。

此外，他們還發(fā)現(xiàn)該區(qū)域展現(xiàn)出了銀河系目前已知最強引力，相關論文發(fā)表于最新一期《皇家天文學會月報》（IT之家附 DOI:10.1093/mnras/stae1160）。

英國牛津大學物理系科學家開展了一項題為“黑洞盤的下沉區(qū)域內(nèi)連續(xù)輻射”的研究，利用一系列 X 射線數(shù)據(jù)研究了離地球相對較近的小黑洞，包括美國宇航局的核光譜望遠鏡陣列 (NuSTAR) 和國際空間站安裝的中子星內(nèi)部組成探測器 (NICER)。

值得一提的是，作為一項耗資數(shù)百萬歐元的歐洲計劃的一部分，今年晚些時候還將會有另一個牛津大學團隊計劃制作一部關于黑洞的電影，其中涉及到的黑洞要比上述黑洞更大、更遠。

愛因斯坦的廣義相對論提出，有質(zhì)量的物體會導致空間和時間的結構發(fā)生扭曲。簡單來說，“時空”是由空間和時間統(tǒng)一形成的四維實體，而引力則是由這種扭曲所產(chǎn)生的“果”。

▲ 錢德拉太空望遠鏡觀測到的黑洞雙星 MAXI J1820+070 的 X 射線耀斑

雖然廣義相對論屬于四維時空下的理論，但我們可以通過一個粗略的二維類比來幫助大家進行理解。想象一下，在一塊拉伸的橡膠布上放置一個球，而這塊布會因為球體質(zhì)量的增加而產(chǎn)生一個凹陷區(qū)域，這類似于月球、行星和恒星“凹陷”四維時空。物體質(zhì)量越大，它們引起的時空曲率就越大，引力影響也就越強，而黑洞就是目前宇宙中已知質(zhì)量最大的天體。

回到廣義相對論，愛因斯坦認為這種時空彎曲會導致一些有趣的物理現(xiàn)象，例如由于角動量的存在，物質(zhì)是不會直接落入黑洞的，而是圍繞黑洞進行旋轉，所以黑洞周圍會存在一個扁平的旋轉云，我們一般稱之為吸積盤。從吸積盤區(qū)域開始，物質(zhì)會不可避免地被逐漸吸入黑洞。

根據(jù)愛因斯坦的預測，黑洞邊界之外必定存在一點，粒子在此處無法再維持穩(wěn)定的圓形軌道。相反，進入該區(qū)域的物質(zhì)將以接近光速的速度向黑洞墜落。

該項研究的主要負責人、物理系博士安德魯?穆默里（Andrew Mummery）說道：“這是我們第一次觀察到等離子體如何從恒星外緣剝離，最終墜入黑洞中心，這一過程發(fā)生在距離我們大約 10,000 光年外。而最令人興奮的是，銀河系中有很多黑洞，我們現(xiàn)在擁有了一種新技術，可以利用它們來研究已知最強的引力場。”

穆默里博士補充道：“愛因斯坦預言了這種‘最后的崩塌’，但我們是首個證實這一理論的人。想象一下一條河流變成瀑布 —— 迄今為止，我們一直在觀察這條河流，而這是我們第一次看到瀑布。我們相信這是黑洞研究史上一項令人興奮的進展，可以讓我們探索黑洞周圍的最終區(qū)域。而只有理解了這種‘最后的崩塌’，我們才能充分掌握其中的引力。”

實際上，天體物理學家長期以來一直在研究圍繞黑洞運行的“吸積盤”，以了解此類天體近表面的情況，而關于這個“墜落區(qū)”是否可以被探測到則一直存在爭議。牛津大學團隊花了數(shù)年時間開發(fā)模型，最終使用 X 射線望遠鏡和國際空間站的數(shù)據(jù)進行了證實。

研究團隊研究的這個黑洞（MAXI J1820+070）距離地球約 10000 光年，質(zhì)量約為 8 個太陽，目前正從源源不斷地從其伴星吸取物質(zhì)，同時以接近 80% 光速的速度射出兩個噴流，這一過程中同時還會發(fā)出強烈的 X 射線。

研究小組發(fā)現(xiàn)，處于“軟狀態(tài)”爆發(fā)期的 MAXI J1820+070 的 X 射線光譜代表了圍繞旋轉黑洞（克爾黑洞）的吸積盤發(fā)出的輻射，這意味著我們觀察到了一個完整的吸積盤，其中也包括“墜落區(qū)”。

研究人員表示，這一發(fā)現(xiàn)是首次在黑洞吸積盤內(nèi)緣附近明顯探測到來自“墜落區(qū)”的輻射，他們將這種信號稱為“ISCO 內(nèi)輻射”。這些“ISCO 內(nèi)輻射” 驗證了廣義相對論在描述黑洞周圍區(qū)域的準確性。

這項研究雖然只是聚焦于靠近地球的小黑洞，但牛津大學物理系的另一個研究團隊正參與到非洲毫米波射電望遠鏡的計劃中。該望遠鏡將極大地提升我們直接獲取黑洞圖像的能力。目前該項目已經(jīng)獲得超過 1000 萬歐元（IT之家備注：當前約 7870 萬元人民幣）的資金，其中一部分將資助納米比亞大學首批天體物理學博士生，他們將與牛津大學物理系團隊合作以進行進一步研究。

科學家認為，非洲毫米波射電望遠鏡將首次實現(xiàn)觀測并拍攝到位于我們銀河系中心以及更遠地方的大黑洞。和小型黑洞一樣，大型黑洞也會擁有“事件視界”。這些黑洞代表著難以想象的能量源，研究團隊希望能首次實現(xiàn)觀測并拍攝到它們旋轉的景象。