證實廣義相對論扭曲空間的方式,首發現來自黑洞後方的光

作者 | 發布日期 2021 年 07 月 30 日 14:04 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


黑洞引力強大到光都無法逃脫,照理說我們觀察不到黑洞後面任何東西,然而黑洞引力扭曲周遭空間與磁場、彎曲光線這特性又使這種觀察成為可能。愛因斯坦的廣義相對論預測了我們可以看到來自黑洞後面的光,直到現在,美國史丹佛大學終於證實了這項預測。

當氣體落入黑洞時,因高速摩擦加熱而釋出巨大能量並往四面八方噴出電磁輻射,致使黑洞成為已知宇宙中最亮的物體之一活躍星系核(Active galactic nucleus,AGN),但科學家只有在超大質量黑洞直接面對望遠鏡時才能看到它發出的光和其他輻射,位於黑洞後方的任何東西都會被黑洞本身遮蔽。

史丹佛大學天體物理學家 Dan Wilkins 團隊正在研究距離地球約 8 億光年的 I Zwicky 1(簡稱 I Zw 1)星系中心超大質量黑洞,由於 I Zw 1 黑洞的自轉速度比多數超大質量黑洞還要慢,導致周圍氣體塵埃更容易從多個方向落入黑洞,反過來又引發更明亮的 X 射線發射,這也就是 Dan Wilkins 團隊特別感興趣的原因。

大量氣體落向中心(事件視界)成為繞行黑洞運動的吸積盤物質,黑洞上方則有帶電粒子與磁場活動相互作用產生的高能 X 射線,其中一些 X 射線直射我們,因此我們能使用望遠鏡觀察;還有一些 X 射線則會照向平坦的吸積盤並被後者反射,但當研究團隊觀察該黑洞時,他們注意到黑洞冕區(corona)似乎在「閃爍」。

▲ 黑洞結構示意圖。

冕區是黑洞一個神祕 X 射線特徵,當氣體落入黑洞時被加熱到數百萬度,電子分離產生磁化等離子體並被黑洞自轉吸引、在黑洞上方形成弧形,由於被引力束縛又靠近黑洞持續加熱,最後產生高能電子然後繼續生成 X 射線,而在研究人員仔細檢查 X 射線耀斑起源位置時,卻看到一些較小閃光,後續分析確定了這些 X 射線耀斑是從圓盤背面反射。

這是科學家第一次真正看到黑洞後面的光透過黑洞扭曲自身周圍空間的方式,一路彎曲進入我們視線,證實了廣義相對論在這些極端系統中的作用。研究團隊希望未來能探測更多來自黑洞後方的 X 射線回波,幫助我們繪製超大質量黑洞完整圖像,進一步解開超大質量黑洞如何成長、維持整個星系、以及如何創造出將物理定律推到極限的環境等謎團。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(圖片來源:史丹佛大學