黑洞將時空結構拉伸到極限——而且你離黑洞越近，事物就越扭曲。“你可以非常非常靠近黑洞，並愉快地進行圓形軌道運動，”牛津大學的物理學家安德魯·馬默裡說。但是，當你越來越靠近時，黑洞的引力控制變得勢不可擋。你到達了一個懸崖，不再是平靜地盤旋，而是直接墜落。
在這一點上，經典的軌道力學失效了，“[艾薩克]牛頓無話可說，”馬默裡指出。描述物體頭朝下墜入黑洞口中的動力學，是阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論的任務。
一個多世紀前，愛因斯坦用這個理論預測了後來被稱為黑洞中會發生什麼。就在黑洞事件視界之外——過了這個邊界，甚至光都無法逃脫——一個軌道物體會突然遇到所謂的墜落區，並以接近光速的速度墜入厄運。
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理論家認為，黑洞的墜落區是所有墜入事物命運被封印的地方。然而，除了這個基本的見解之外，這個區域仍然幾乎完全是個謎。“基本上，現有的理論模型忽略了這個區域，”馬默裡說——畢竟，它很小，而且目前的望遠鏡很難看到。但是，由於我們星系中一個黑洞吞噬物質時的一次偶然爆發，馬默裡和他的同事現在首次觀察到了墜落區。他們在上週發表在《皇家天文學會月刊》上的一篇論文中報告了他們的結果。
“第一次看到它時，知道它確實存在就很高興了，”馬默裡說。“既然我們知道我們可以看到這個，原則上我們可以用它來學習很多東西。”
沒有望遠鏡可以直接看到黑洞，因為即使是光也無法逃脫這些天文物體的控制。相反，物理學家通常研究來自黑洞吸積盤的光——圍繞這個宇宙排水口的超熱氣體和塵埃。這個盤的最內唇就是墜落區的閾值。它發出的光相對較少，因此直到最近，科學家們還無法獲得足夠的資料來觀察它。
“有兩種方法可以獲得更好的資料：你可以建造更好的望遠鏡，或者你可以走運，”馬默裡說。幸運的是，在2018年，天文學家使用多臺望遠鏡發現了一個黑洞，稱為MAXI J1820+070，這為馬默裡和他的團隊提供了他們需要的機會。這個黑洞位於約10,000光年之外，一直在吞噬從附近恆星虹吸來的物質，幾個月來，觀察者們看到它狼吞虎嚥地吞噬了大量的恆星氣體，很好地觀察到了它厚厚的、炙熱的吸積盤，在X射線下發出明亮的光芒。美國宇航局的兩臺太空望遠鏡，核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）和中子星內部成分探測器（NICER），對準了這個黑洞，收集了大量的X射線資料。
但是到2020年初，劍橋大學的研究合著者安德魯·法比安和其他科學家意識到，標準的黑洞模型無法解釋NuSTAR和NICER觀察到的所有光。透過更仔細地檢視資料並參考模擬，法比安和他的同事發現，這種額外的光與他們預期從溢入墜落區的發光物質中獲得的光相符。普林斯頓大學的理論天體物理學家亞歷杭德羅·卡德納斯-阿文達尼奧解釋說，現在研究人員已經開發出一種工作模型，可以解釋2018年爆發的這些細節，並且也可以應用於其他黑洞，他沒有參與這項新研究。
這證實並加深了我們對愛因斯坦預測的必須發生在接近吸積盤內邊緣黑洞不歸路點的物質上的事情的理解。在某些方面，你可以想象它就像沿著漏斗滑水道向下走。重力和向心力將你沿著漏斗內部螺旋向下傳送。當你螺旋收緊時，你繞圈的速度會更快，直到你最終到達漏斗邊緣並墜入下面的水池。
“一旦你過了漏斗，你就無能為力了，”馬默裡說。
墜落區如此靠近黑洞，應該為研究人員提供一種研究其他難以探測的屬性的新方法，例如黑洞的自旋，以更多地瞭解這些物體是如何形成的。到目前為止，大多數使用傳統望遠鏡（以及忽略墜落區的傳統模型）研究過的黑洞似乎都在非常快速地旋轉。但是，那些使用引力波望遠鏡研究過的黑洞——探測時空本身漣漪而不是光的觀測站——似乎旋轉得慢得多，卡德納斯-阿文達尼奧解釋說。
科學家們仍然不知道這種暫時的緊張關係是否可以在物理上得到調和，或者它是否反而指向我們理論中的一些更深層次的缺陷。但是來自墜落區的資料可以提供更仔細的觀察。“自旋是你只有在非常非常靠近黑洞時才能感覺到的東西，”馬里蘭大學帕克分校的理論和計算天體物理學家阿米莉亞·漢克拉說，她沒有參與這項新研究。“墜落區令人興奮的是，時空旋轉的印記在[發射]中是[可見的]。”
新的分析表明，所討論的黑洞旋轉速度並不快，這讓研究人員感到驚訝。“這與其他使用忽略該區域的模型的人發現的完全不同，”馬默裡說。
研究黑洞的自旋不僅僅是出於閒著無聊的好奇心：“宇宙的演化取決於黑洞的行為方式，而這種行為方式取決於它們的旋轉程度。所以這些都是基本問題，”卡德納斯-阿文達尼奧說。