科学家对黑洞周围有无限光环又有了新的研究

一年前，历史被创造了。经过世界各地科学家长期艰苦的工作，首次获得了黑洞视界的直接图像。这张照片拍摄于距离地球5500万光年的一个名叫M87*的巨大怪物。这张明亮、金色且模糊的图像证实了我们对黑洞的许多想法。

获得这张图片后，科学家们没有停止他们的研究。基于从M87*中学到的知识和广义相对论的预测，一组科学家进行了计算，以进一步预测我们有一天会更仔细地遇到它的方式。

黑洞的引力非常强。它们是如此巨大，以至于在黑洞的引力作用下，光速太慢而无法逃脱，而且它们还会弯曲地平线以外的光的路径。

如果一个通过的光子离我们太近，它将会被困在黑洞周围的轨道上。这将形成一个所谓的“光子环”或“光子球”。一个完美的光环将围绕黑洞吸积盘的内边缘，但在它的视界之外。

这也被称为最里面的稳定轨道，从下图可以看出。这是天体物理学家让-皮埃尔·卢米纳在1978年画的。

让-皮埃尔·卢米纳的数字

黑洞周围环境的模型显示，光子环将创造一个由无限环组成的复杂子结构——有点像你在无限镜像中看到的。

哈佛-史密森尼天体物理中心的天体物理学家迈克尔·约翰逊解释道:“黑洞的图像实际上包含一系列嵌套的环。每个环的直径大致相同，但是随着光在到达观察者之前绕着黑洞传播的次数的增加，它变得越来越尖锐。通过当前的EHT图像，我们只瞥见了任何黑洞图像中应该出现的全部复杂性。”

视界望远镜

在M87*(上图)的历史第一张照片中，我们可以看到吸积盘——照片中橙色发光的部分。中间的黑色部分是黑洞的影子。我们实际上看不到光子球，因为光晕非常精细，望远镜的分辨率不够高，无法捕捉到它，但它应该位于黑洞阴影的边缘。

如果我们能看到它，光环会告诉我们一些关于黑洞的非常重要的信息。光晕的大小可以告诉我们黑洞的质量、大小和旋转速度。我们可以从吸积盘中确定这些数据，但是光子环允许我们进一步缩小数据范围，以便进行更精确的测量。

研究人员在论文中写道:“从宇宙中任何地方收集的光子壳的每个子环都由向观察者屏幕倾斜的光子组成(每个子环都由宇宙中光子壳收集的光子组成，然后通过重力透镜传输)。”

“因此，在没有吸收的理想环境中，每个子环包含一个独立的、指数衰减的整个宇宙的图像，然后每个子环在更早的时间捕捉可见的宇宙。简而言之，这组子结构就像一部电影，捕捉了从黑洞中看到的可见宇宙的历史。”

因此，约翰逊和他的团队利用建模来确定在未来的观测中探测光子环的可能性。他们发现这是可以做到的，尽管这并不容易。

M87*成像是一个原创和合作的壮举。世界各地的望远镜共同创造了一种非常长的基线干涉仪，称为事件地平线望远镜，在这里可以计算阵列中望远镜之间的精确距离和时间差，从而将观测结果拼接在一起。简而言之，这就像使用地球大小的望远镜。

约翰逊说:“真正让我们惊讶的是，尽管嵌套的子环几乎肉眼察觉不到——即使是完美的图像——但对于一个被称为基线干涉仪的望远镜阵列来说，它们是强大而清晰的信号。尽管通常需要许多分布式望远镜来捕捉黑洞图像，但是仅使用两个相距很远的望远镜就可以研究子环。在视界望远镜上增加一个太空望远镜就足够了。”

照片摄于美国宇航局/史云光89/维基共享空间，Ccby 3.0

将望远镜放入低地球轨道是一个好的开始，但它只允许我们清晰地拍摄其中一个环。

为了探测第二子环，你必须把望远镜放在离低地球轨道更远的地方，比如月球。第三个子环要求望远镜放置在月球外面，处于由日地引力相互作用形成的稳定位置，称为拉格朗日点，即图中的L2。

所有这些都是可行的。美国宇航局正计划一次载人登月任务。许多卫星位于L2。显然这不会在明天发生，但是为下一代地平线望远镜工作确实是一个令人兴奋的目标。

蝌蚪工作人员从科学警报，翻译李同信，转载必须授权