一张黑洞照片揭示的宇宙秘密

2021-03-29叶昊

科学之谜 2021年1期

叶昊

2019年4月10日，科学家公布了首张黑洞照片，这也是人类第一次见到黑洞究竟是什么样的。而在黑洞那边，科学家有充足的理由相信，黑洞早已记录了宇宙的历史。那么科学家是如何得出这一推论的？这得从黑洞照片的解读开始。

黑洞照片透露出的信息

人类首张黑洞照片里的主角是M87星系中心的超大质量黑洞，其质量约为太阳的70亿倍。正如物理理论所预测的那样，黑洞的引力大到连光线都无法逃脱，所以照片中的黑洞确实是一片漆黑。

不过，黑洞周围的光环是什么？黑洞周围的光环是黑洞吸住的物质所发出的电磁波，以及黑洞所扭曲的背景电磁波。尽管在靠近黑洞非常近的地方，黑洞会吸入包括光线在内的任何物质，但是如果距离够远的话，那里的引力就只是能够吸住物质（但不会立即吸入它们），光线也可以逃离黑洞。被黑洞吸住的物质会形成吸积盘，然后通过相互摩擦等方式获得能量，并因此产生剧烈的反应，然后向外发射电磁波。

另外，来自黑洞背后的背景里其他星系的电磁波在经过黑洞时，靠近黑洞的会被黑洞吸入，而离黑洞较远的电磁波会被黑洞的引力向里扭曲。这股被扭曲的电磁波会与前面刚提到的逃离电磁波汇聚到一起，并继续前进，然后被人类的探测器探测到，并调整成可见光，随后照片中的光环便形成了。

那么照片中光环为什么是上面模糊、下面亮，而不是上下亮度平均？尽管科学家们在黑洞是否具有自转这一问题上还有争议，但他们肯定的是，被黑洞吸住的物质会以接近光速的速度并根据某一根通过黑洞的旋转轴绕着黑洞旋转。根据广义相对论，对于朝向我们一侧运动的旋转物质所发射的电磁波，我们所探测到的强度会更强;而对于远离我们一侧运动的旋转物质，我们探测到的电磁波强度会较弱。因此拍下的照片就会形成光环亮度不平均的现象。这次拍到的照片，下面的物质靠近我们，上面的物质远离我们;未来我们也可能会见到上方明亮，下面模糊的黑洞光环照片。

科学家在初步研究完M87星系的黑洞照片之后，利用广义相对论和磁流体力学，建立了多个黑洞旋涡模型，这些模型向科学家展示了物质围绕着黑洞进行旋转的样子是怎样的。然而，所有的模型都显示，黑洞模糊的光环中理应还有一个非常“明亮”、且薄的圆环，但是黑洞照片中没有这个圆环的任何痕迹。科学家对此非常在意，因为这个圆环记录了宇宙的历史。

那个缺失的黑洞“光盘”有什么意义？

那个非常明亮且薄的圆环是一个完全由光子所构成的光环。光子在经过黑洞某个距离的时候，那里的引力大得足以抓住它们，但又不足以立即把它们吸到黑洞当中，于是它们就围绕着黑洞旋转，同时還被黑洞缓慢地拉近。但是这些光子的旋转速度非常快，以至于被“压缩”成一个非常明亮且薄的圆盘，于是乎，这样一个“光盘”就形成了。

理论模型还显示，这个圆环还细分成不同的层次，换而言之，这个圆环由无限的嵌套光子环组成。这有点类似于土星的圆环，只不过黑洞的圆环更大，且层次更多。另外，这些光子来自不同的宇宙时期，其中甚至还有可能包括了来自宇宙刚刚爆炸时所产生的光子。一般来说，在这个圆环当中，越靠近里面的光子的历史也就越久，越靠近外围的光子也就越年轻。

科学家认为，如果能对这个圆环进行记录和研究，这不仅有助他们了解宇宙历史和宇宙的演变过程，有望知道宇宙大爆炸的那一瞬间究竟发生了什么，还有助于他们进一步理解时间和空间是什么。

除此之外，科学家还能利用圆环来方便且更精确地计算黑洞的质量，因为圆环的亮度和厚度跟黑洞的质量密切相关。通常来说，黑洞的质量越大，圆环也就越薄和越亮。而目前，科学家认为用来计算黑洞质量的技术的准确率只有15%左右，如果能加入圆环数据的话，那么准确率或许可以提高至98%。

等待下一张照片

这么重要的光环，怎么没有拍到呢？

科学家分析后认为，可能目前的天文望远镜还不够精确和灵敏。于是，科学家打算在未来多发射两台更为先进的太空望远镜，它们分别是2030年的sperktr-M和2035年的“起源太空望远镜”。这两台太空望远镜都会被送到拉格朗日点L2当中。

拉格朗日点L2是这样一个点，它处于太阳和地球的连线上，而处于这个点的物体离地球足够远，但又不至于逃离地球，飘向宇宙，它依然会跟地球绑定在一起。在拉格朗日点L2的太空望远镜不仅受到太阳光的影响较小，而且相比起其他位置的太空望远镜，它们离观测目标最近，因此，在拉格朗日点L2的太空望远镜的观测条件是目前最好的。

sperktr-M和起源太空望远镜将继续探测黑洞，并帮助我们进一步理解星系、黑洞和宇宙的演变。幸运的是，离我们最近的黑洞只有1000光年，且它的质量只约为太阳的4倍。届时，sperktr-M和起源太空望远镜或许能记录下光子圆环的样子，在那里，说不定有来自恐龙时代的地球的光子。