天文學家觀測到「來自黑洞背面的閃光」,再度證明愛因斯坦廣義相對論是對的

天文學家觀測到「來自黑洞背面的閃光」,再度證明愛因斯坦廣義相對論是對的
示意圖|Photo Credit: Reuters / 達志影像

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觀察結果與愛因斯坦在1916年發表的廣義相對論中,描述的關於引力在黑洞周圍彎曲光的預測相吻合。研究團隊在今(2021)年7月《自然》雜誌上發表這項發現。

編譯:Yi-ching Kuai

史丹佛大學天文物理學家丹・威金斯(Dan Wilkins)和他的同事,觀察一個距地球8億光年的星系中心的超大質量黑洞釋放的X射線。

明亮的耀斑(flare)並不罕見,因為雖然光無法逃離黑洞,但黑洞周圍的巨大引力可以將物質加熱到數百萬度,釋放出無線電波和X射線。有時候過熱的物質(包括X射線和伽馬射線)會被快速噴流噴射到太空中。

但威金斯注意到一些較慢出現、規模較小、顏色不同的X射線閃光——這些閃光來自黑洞的背面。

「任何進入黑洞的光都不會出來,所以我們本應看不到黑洞背面的任何東西。」史丹佛大學和SLAC國家加速器實驗室的卡夫利粒子天文物理學和宇宙學研究所(Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology)科學家威金斯,在一份聲明中寫道。

黑洞扭曲了空間和光

然而,黑洞的奇異特質卻使這樣的觀測實際上有可能。

威金斯說:「我們之所以能看到這一點,是因為那個黑洞正在扭曲空間、彎曲光線並扭轉自身周圍的磁場。」

這個超大質量黑洞的質量是太陽的1000萬倍,位於我們附近一個名為「I Zwicky 1」的螺旋星系的中心,距離地球8億光年。

由威金斯帶領的科學家團隊,用歐洲太空總署的XMM牛頓衛星太空望遠鏡,和NASA的核光譜望遠鏡陣列觀測黑洞,一開始只是想要了解黑洞的「冕」,也就是明亮X射線的來源。天文學家認為,「冕」是氣體不斷落入黑洞的結果,氣體在黑洞周圍形成一個旋轉的圓盤——像水流進排水孔一樣。

黑洞的冕,與太陽的日冕(太陽炎熱的外部大氣)沒有什麼不同。太陽表面覆蓋著磁場,磁場與太陽日冕中的帶電粒子相互作用時,就會形成圈和羽狀。這就是為什麼科學家將黑洞周圍的環稱為冕。

氣盤被加熱到數百萬度,產生磁場,磁場被旋轉的黑洞扭成一團,最終破裂,釋放存儲的能量,加熱周圍的一切,產生高能電子電暈,進而產生X射線光。

X射線耀斑再落入黑洞的氣體中,產生回波。耀斑消退時,太空望遠鏡卻接收到更微弱的閃光。

「I Zwicky 1」的X射線耀斑非常明亮,因此有部分X射線照射到黑洞的氣體盤上。在黑洞背面的氣體上反射的X射線,因為黑洞的極端引力扭曲了周圍的空間,亦在黑洞周圍彎曲,延遲抵達太空望遠鏡,正是威金斯團隊觀測到的那些慢一些出現、較小的X射線閃光。

觀察結果與愛因斯坦(Albert Einstein)在1916年發表的廣義相對論中,描述的關於引力在黑洞周圍彎曲光的預測相吻合。研究團隊在今(2021)年7月《自然》雜誌上發表這項發現

廣義相對論歷經百年屹立不搖

愛因斯坦的理論,或者說引力是物質扭曲時空的想法,隨著新的天文學發現的出現,已經屹立了100年。

根據愛因斯坦的廣義相對論,大質量的物體會扭曲時空結構。時空非線性,而是向大質量物體彎曲,形成其他物體在行進時必須遵循的彎曲路徑。愛因斯坦說,這就是引力。就像重力迫使行星繞恆星運行一樣,光也應該沿著相同的彎曲路徑圍繞黑洞等物體,這些物體的質量可能相當於數十億個太陽。不過,直到現在才有人觀察到黑洞扭曲它背後的光的現象。

「50年前,天文物理學家開始推測磁場在黑洞附近的行為時,他們不知道有朝一日我們可能擁有直接觀察這一現象,並看到愛因斯坦廣義相對論實際運行的技術。」共同研究者、史丹佛大學人文與科學學院的路克・布洛森(Luke Blossom)教授、物理學教授羅傑・布蘭福德(Roger Blandford)在一份聲明中說。

「幾年來,我一直在回波在我們眼中會是什麼樣子進行理論預測。我在我發展的一套理論中看過它們,所以我一在望遠鏡觀測中看到,就能弄清楚這些事情之間的關聯。」威金斯說。

黑洞X射線回波有望揭露更多秘密

從氣盤上反彈的X射線回波有特定的「顏色」,X射線在黑洞周圍傳播時,顏色會發生輕微變化。在氣盤不同位置反彈的X射線回波會有不同的顏色,觀測到的時間點也有差距。天文學家希望利用X射線回波,來建立黑洞周遭環境的3D圖。

科學家需要更多的觀察來了解這些黑洞冕,歐洲太空總署也將在2031年發射名為雅典娜的X射線天體望遠鏡。

「它的鏡頭會比目前任何X射線望遠鏡的鏡頭都還大,能讓我們在更短的觀察時間內獲得更高解析度的畫面,」威金斯說。「有了新的天文台,我們從數據中獲得的圖片將變得更加清晰。」

新聞來源

責任編輯:羅元祺
核稿編輯:翁世航


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