首次觀測(cè)到黑洞暴跌區(qū)域，愛(ài)因斯坦預(yù)言成真

2024年5月16日，英國(guó)牛津大學(xué)的研究人員在英國(guó)的《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上發(fā)表了一篇文章，觀測(cè)到了黑洞附近的輻射，這個(gè)輻射也就是暴跌區(qū)域的輻射。那我們需要解釋一下什么是暴跌區(qū)域的輻射。

我們知道，在黑洞周?chē)鷷?huì)有一個(gè)吸積盤(pán)，氣體以螺旋的方式繞黑洞繞轉(zhuǎn)，但對(duì)于一個(gè)黑洞而言，物質(zhì)并非一直繞轉(zhuǎn)著掉入黑洞的。物質(zhì)會(huì)旋轉(zhuǎn)著從外向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)一個(gè)被稱之為叫做最內(nèi)穩(wěn)定圓軌道的地方后，物質(zhì)就會(huì)變得不穩(wěn)定，就會(huì)像瀑布一樣，直接掉落到中心黑洞了，這塊區(qū)域就被稱之為“暴跌區(qū)域”。這塊暴跌區(qū)域的大小，與黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)。轉(zhuǎn)速小的，這塊暴跌區(qū)域就大一些，轉(zhuǎn)速快的，暴跌區(qū)域就小一些。

這是因?yàn)楹诙幢┑鴧^(qū)域和穩(wěn)定區(qū)域的臨界半徑，和黑洞的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢之間有一個(gè)單調(diào)關(guān)系。通常而言，黑洞轉(zhuǎn)速越快，這個(gè)半徑越小，轉(zhuǎn)速越慢，這個(gè)半徑越大，也就是距離黑洞越遠(yuǎn)一些。所以這個(gè)臨界半徑也通常被用來(lái)測(cè)量黑洞轉(zhuǎn)速的快慢。不過(guò)之前在測(cè)量黑洞轉(zhuǎn)速的時(shí)候，我們通常都是忽略暴跌區(qū)域的輻射，一方面因?yàn)檫@塊區(qū)域的輻射較小，對(duì)于黑洞自轉(zhuǎn)的影響不大。另外一個(gè)方面，這個(gè)輻射很難用簡(jiǎn)單的理論計(jì)算。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，任何物質(zhì)一旦進(jìn)入這個(gè)暴跌區(qū)域，就會(huì)迅速加速到接近光速，然后墜入黑洞。暴跌區(qū)域?qū)儆谖e盤(pán)的內(nèi)部區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，物質(zhì)無(wú)法繼續(xù)保持軌道運(yùn)動(dòng)，而是向黑洞中心墜落，就像河流突然變成瀑布。愛(ài)因斯坦的理論預(yù)言了這一現(xiàn)象，但由于觀測(cè)困難，而且比較弱，所以暴跌區(qū)域的輻射長(zhǎng)期未被直接觀測(cè)到。

此次科學(xué)家通過(guò)觀察一個(gè)距離地球約一萬(wàn)光年的雙星系統(tǒng)MAXI J1820+070中的黑洞，首次確認(rèn)了暴跌區(qū)域的存在。他們使用了美國(guó)加州理工學(xué)院發(fā)射的空間X射線望遠(yuǎn)鏡，核光譜望遠(yuǎn)鏡陣列NuSTAR來(lái)建立黑洞吸積盤(pán)的模型。研究發(fā)現(xiàn)，只有在模型中包含暴跌區(qū)域發(fā)出的光時(shí)，才能與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合。這表明，在物質(zhì)墜入黑洞之前的暴跌區(qū)域內(nèi)仍有輻射發(fā)出，這些輻射為科學(xué)家提供了暴跌區(qū)域存在的證據(jù)。

當(dāng)然需要強(qiáng)調(diào)的是，即使考慮了暴跌區(qū)域的輻射，對(duì)于自旋的測(cè)量影響是非常小的。不過(guò)，此次觀測(cè)不僅僅是證明了這塊區(qū)域的輻射存在，作者還提供了專門(mén)的代碼方便之后的研究人員擬合這方面的貢獻(xiàn)，所以為研究者提供了很大的便利性。如果大家感興趣，可以去作者的網(wǎng)站上去下載。

雖然這個(gè)測(cè)量對(duì)于黑洞自旋的研究影響不大，但是這一研究對(duì)于黑洞研究具有一定的意義。確認(rèn)暴跌區(qū)域的存在驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言。此外，暴跌區(qū)域作為極端空間條件下的代表，有助于我們理解空間和時(shí)間的本質(zhì)，推動(dòng)對(duì)引力和空間結(jié)構(gòu)的研究。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：茍利軍 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 研究員

審核：韓文標(biāo) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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