整整一个世纪以来,科学家们一直试图在爱因斯坦的广义相对论中找出漏洞,但都没有成功。然而,到目前为止,爱因斯坦的理论进展顺利。迄今为止的每一次评估都是在相当弱的引力场中进行的。要对广义相对论进行最严格的检验,我们需要看看它是否能在引力极其强大的地方站得住脚。在今天的宇宙中,没有任何地方的引力比黑洞边缘的引力更强——在视界上,引力的边界是如此巨大,以至于穿过黑洞的光和物质永远无法逃脱。
黑洞的内部是无法观测到的,但是围绕着这些物体的引力场使接近视界的物质产生了大量的电磁辐射,望远镜可以探测到。在黑洞附近,重力的破碎力将流入的物质,即所谓的吸积流,压缩成更小的体积。这就导致了不断下降的物质达到数十亿度的温度——具有讽刺意味的是,这使得黑洞周围的区域立即成为宇宙中最亮的地方之一。
如果我们能用一台具有足够放大率的望远镜来观察黑洞,以解决视界的问题,
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更重要的是,这样的黑洞以两种方式从我们的视野中消失。首先,它们发生在星系的中心,在浓密的气体云和尘埃云的深处,这些云和尘埃云阻挡了大部分的电磁光谱。其次,即使是那些能发出我们想要探测到的光的物质——那些被压碎的发光漩涡盘旋着向水平方向运动——对大多数波长的光来说,它们本身也是不透明的。因此,我们在地球上只能观测到从黑洞边缘逃逸出来的几种波长的光。
事件视界望远镜(EHT)项目是一项国际努力,旨在克服这些障碍,并对黑洞进行详细的观测。达到最高的角分辨率可能从地球的表面,过去利用一种称为甚长基线干涉测量(VLBI),全世界的天文学家在无线电天线同时观察同一个目标,记录所收集的数据在硬盘上,然后将所有这些数据使用超级计算机来形成一个单一的形象。通过这样做,许多位于不同大陆的望远镜可以组成一个虚拟的地球大小的望远镜。望远镜的分辨能力是由它观察到的光的波长与它的大小之比决定的,因此VLBI经常拍摄射电天空的图像,其细节远远超过任何光学望远镜的放大率。
通过推进VLBI中使用的技术,使得能够在最短的无线电波长进行观测,EHT将很快能够满足黑洞成像的所有挑战。在这些波长上(接近1毫米大小),银河系基本上是透明的,这使得EHT能够以最小的模糊度观测人马座A*。同样的波长也可以穿透掉向黑洞的物质,从而进入人马座A*的视界周围的最深处。而且,
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在一个平行的发展中,理论天体物理学家开发了数学模型和计算机模拟,以探索这些观测结果的广泛可能结果,并开发了解释这些结果的工具。利用新型的超级计算机算法,他们模拟了黑洞视界外物质的搅动,在所有的模拟中,他们都发现黑洞对吸积流发出的光投下了“阴影”。
华盛顿大学物理学家詹姆斯·巴丁在1973年预测了黑洞阴影的存在。根据定义,任何穿过视界的光都永远不会返回。巴丁确定了视界外光子围绕黑洞运行的点。如果一束光线穿过这个轨道向内运动,它就会永远被捕获,并向内螺旋进入视界。来自视界和这个轨道之间的光线可以逃逸,但它们必须几乎呈放射状地指向外,否则它们也有被黑洞引力捕获的风险,它们的轨迹会向后弯曲,朝向视界。我们称这个边界为光子轨道。
就光而言,黑洞就像一个不透明的物体,光子轨道决定了它的边界。光子轨道的明亮环和较暗的内部之间的对比就是我们所知的阴影。地球上的观测者所看到的这个影子的明显大小实际上被预测比光子轨道要大得多。这是因为黑洞周围的强引力场通过引力透镜“放大”了阴影。
EHT现在已经准备好观测这个阴影和黑洞的其他特征。2007年和2009年的观测证实了这一技术方法是合理的,而最终的科学目标就在我们的触手可及之处——瞄准射手座A*和室女座A星系中心的另一个超大质量黑洞(也被称为M87)。这些早期的观测把夏威夷、亚利桑那和加利福尼亚的一些地点联系起来,成功地测量了这两个地方1.3毫米波长的无线电辐射程度。在这两种情况下,测量结果都与黑洞阴影的预期大小相符。
利用遍布全球的碟形网计划观测,将产生足够的数据,使我们能够构建这些黑洞的完整图像。另外一组同样重要的观测数据将使用VLBI数据来搜索和跟踪环绕黑洞的局部活动区域(“热点”)的轨迹。因为广义相对论预测了这些黑洞应该是什么样子的,以及物质应该如何围绕它们运行,这些观测结果将使我们能够对爱因斯坦的相对论进行一系列测试,在这些测试中,最极端的预测将会显现出来。
检查宇宙审查
EHT将使我们能够回答一个基本问题:射手座是黑洞吗?所有现有的证据都表明,答案是肯定的,但从来没有人直接观测过黑洞,
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物理学中的奇点是一个方程的解没有定义的地方,是我们所理解的自然法则不再起作用的地方。广义相对论预言宇宙开始于一个奇异的时刻——宇宙的所有内容都集中在一个无限密度的单一点的初始时刻。该理论还告诉我们,在每个黑洞的中心都存在一个奇点,在这里重力变得无穷大,物质被压缩成无穷大的密度。
在黑洞中,视界向我们的宇宙隐藏了奇点。然而,广义相对论并不要求所有奇点都要被视界“覆盖”。爱因斯坦的方程有无穷多个解,其中奇点是“赤裸的”。其中一些解描述了正常黑洞旋转得如此之快,以至于它们的视界“打开了”,揭示了其中的奇异点;其他人则描述了没有视界的黑洞。
与黑洞不同的是,裸奇点仍然高度理论化:没有人提出一个能导致它们形成的真实世界配方。每一个天体物理上可信的计算机模拟恒星引力坍缩都会导致一个有视界的黑洞的形成。事实上,罗杰·彭罗斯在1969年提出了宇宙审查假说:即物理学总是用视界来掩盖奇点,从而在某种程度上审查奇点的赤裸。
1991年9月,加州理工学院的物理学家约翰·普莱斯基尔和基普·索恩与剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金打赌,宇宙审查假说是错误的,而且确实存在赤裸裸的奇点。即使在霍金去世27年后,这个赌注仍然站定,祈求一个能解决这个问题的实验。证明射手座A*有视界并不能最终证明其他地方存在裸奇点。然而,确定我们银河系中心的黑洞是一个裸奇点,将使我们能够在现代物理学崩溃的条件下直接观察现象。