证实广义相对论扭曲空间的方式,首发现来自黑洞后方的光

黑洞引力强大到光都无法逃脱,按理说我们观察不到黑洞后面任何东西,然而黑洞引力扭曲周边空间与磁场、弯曲光线这特性又使这种观察成为可能。爱因斯坦的广义相对论预测了我们可以看到来自黑洞后面的光,直到现在,美国斯坦福大学终于证实了这项预测。

当气体落入黑洞时,因高速摩擦加热而发布巨大能量并往四面八方喷出电磁辐射,致使黑洞成为已知宇宙中最亮的物体之一活跃星系核(Active galactic nucleus,AGN),但科学家只有在超大质量黑洞直接面对望远镜时才能看到它发出的光和其他辐射,位于黑洞后方的任何东西都会被黑洞本身屏蔽。

斯坦福大学天体物理学家Dan Wilkins团队正在研究距离地球约8亿光年的I Zwicky 1(简称I Zw 1)星系中心超大质量黑洞,由于I Zw 1黑洞的自转速度比多数超大质量黑洞还要慢,导致周围气体尘埃更容易从多个方向落入黑洞,反过来又引发更明亮的X射线发射,这也就是Dan Wilkins团队特别感兴趣的原因。

大量气体落向中心(事件视界)成为绕行黑洞运动的吸积盘物质,黑洞上方则有带电粒子与磁场活动相互作用产生的高能X射线,其中一些X射线直射我们,因此我们能使用望远镜观察;还有一些X射线则会照向平坦的吸积盘并被后者反射,但当研究团队观察该黑洞时,他们注意到黑洞冕区(corona)似乎在“闪烁”。

黑洞结构示意图。

冕区是黑洞一个神秘X射线特征,当气体落入黑洞时被加热到数百万度,电子分离产生磁化等离子体并被黑洞自转吸引、在黑洞上方形成弧形,由于被引力束缚又靠近黑洞持续加热,最后产生高能电子然后继续生成X射线,而在研究人员仔细检查X射线耀斑起源位置时,却看到一些较小闪光,后续分析确定了这些X射线耀斑是从圆盘背面反射。

这是科学家第一次真正看到黑洞后面的光通过黑洞扭曲自身周围空间的方式,一路弯曲进入我们视线,证实了广义相对论在这些极端系统中的作用。研究团队希望未来能探测更多来自黑洞后方的X射线回波,帮助我们搭建超大质量黑洞完整图像,进一步解开超大质量黑洞如何增长、维持整个星系、以及如何创造出将物理定律推到极限的环境等谜团。

新论文发布在《自然》(Nature)期刊。

(图片来源:斯坦福大学)