施瓦西喉

我們首張近距離黑洞影像開始揭示這種極端天體的解剖結構

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在“黑洞”這個術語被科學界和大眾意識所接受之前——大約在20世紀60年代——事件視界通常被稱為“施瓦西喉”。我個人很喜歡這個名字,它很穩健,而且感覺比黑洞更具啟發性。“喉”意味著通往某種東西的通道,可能通向你不想去的地方,比如一頭強大的宇宙鯨魚的胃。

但同樣地,喉的說法對於我們正在討論的愛因斯坦場方程的解留有一些歧義。喉可以暗示一個蟲洞,而不是通往施瓦西中心奇點的單向時間隧道。同樣,對於一個旋轉的黑洞來說,這個術語也不完全正確。在這種情況下,時空的形狀和性質會有些不同。感謝紐西蘭物理學家羅伊·克爾早在1965年所做的傑出工作,我們不僅知道旋轉體的場方程解是存在的,而且旋轉會扭曲事件視界的形狀——使其成為扁球體——並建立一個名為“動圈”的外部區域,在這個區域中,由於時空結構被拖拽著繞著黑洞旋轉,任何東西都無法靜止不動。

星系M87中超大質量黑洞的非凡影像,由事件視界望遠鏡(EHT)專案產生,開始揭示這個奇怪環境的一部分。但我們有必要小心理解我們現在能看到和不能看到的東西。


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EHT團隊M87影像中的中心黑暗區域稱為黑洞的“陰影”,這是一種很好的討論方式。我們看到的實際上不是質量的視界(或喉),而是阻止光子進入我們視線的區域。

更具體地說,如果我們從遠處觀察一個簡單的、不旋轉的黑洞,我們會發現該黑洞存在一個光子捕獲半徑。這是黑洞周圍的明顯區域,任何原本會繼續被我們看到的光(來自背景恆星或靠近黑洞的物質)都會被黑洞對時空的扭曲所轉移——落入視界並穿過視界,甚至被捕獲到不穩定的軌道中。

該區域的大小約為事件視界的 5.2 倍,對於一個旋轉的黑洞,光子捕獲區域也會略微偏離圓形,具體取決於黑洞自轉相對於我們觀察方向的取向。

從可能繞黑洞執行的物質中逃逸的光——在物質因潮汐力拉扯和推擠而向視界作字面意義上的死亡螺旋運動時——也會被質量周圍強烈彎曲的時空透鏡化。結果是,我們期望看到的黑洞是圍繞黑洞執行的加熱物質的扭曲的環狀影像,以及對應於光子捕獲半徑的薄內光環。如果黑洞是旋轉的,所有這些都會進一步改變——導致來自向我們移動或遠離我們的物質的輻射發生相對論增強和減弱。

換句話說,我們在 EHT 的 M87 影像中看到的是一個“陰影”。嚴格來說,黑洞的視界,即喉,仍然潛伏在影像的中心更近的地方。

但這顯然僅僅是個開始。其他黑洞,具有不同的質量、自旋和方向,是未來觀測的潛在目標。隨著 EHT 效能的進一步技術改進,我們很有機會對這些荒謬、美麗和可怕的地方的外部分解結構進行更精細的剖析。

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