首探測黑洞​​後光回波 再證廣義相對論正確

最新刊於《自然》的研究指,首次探測到來自黑洞​​後面的光回波 (luminous echo) ,再次證明愛因斯坦的廣義相對論正確。

團隊研究的是距我們 8 億光年遠的 I Zwicky 1 螺旋星系中心的一個超大質量黑洞發出的 X 射線,並發現到該意想不到的現象。

除了預期來自黑洞前方的 X 射線閃光外,團隊還從最初無法定位的起源檢測到一些光回波。更奇怪的是,這些光回波較小、觀察到的時間稍為晚,並且與從黑洞前面看到的耀斑具有不同顏色。

團隊很快意識到這些光回波是從該超大質量黑洞後方傳來,再次證明廣義相對論所說正確。史丹福大學天體物理學家 Dan Wilkins 解釋,進入黑洞的任何光都不會出來,所以我們理應看不到黑洞後面的任何東西;團隊能看到來自黑洞背後的光,是因為黑洞正在扭曲空間、屈曲光線並扭曲自身周圍的磁場。

愛因斯坦的廣義相對論描述了大質量物體如何扭曲宇宙結構,亦稱為時空 (space-time) 。愛因斯坦發現,引力不是由看不見的力產生,而只是我們在物質和能量存在下時空彎曲和扭曲的經驗。

這個彎曲的空間為能量和物質的運動方式設定了規則。就算光沿直線傳播,穿過高度彎曲如黑洞周圍空間的時空區域,光也將沿曲線傳播,在這種情況下,就可從正面見到來自背面的光。

這不是天文學家第一次發現這種稱為「重力透鏡效應 (gravitational lensing) 」的黑洞扭曲光,但這是學界首次直接看到來自黑洞​​後面的光回波。

團隊最初並不打算證實愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論。相反,他們希望使用歐洲太空總署的 XMM-牛頓和美國太空總署的 NuSTAR 太空望遠鏡來觀察黑洞事件視界 (event horizon) 外形成的超熱粒子雲發出的光。

該些超熱雲繞著黑洞,並在落入黑洞時被加熱。團隊稱,超熱雲的溫度可以達到攝氏數百萬度,將粒子雲變成磁化等離子體,電子會從原子上甩出。黑洞的旋轉則會導致離子體的組合磁場在黑洞上方形成弧狀並最終破裂,從而釋出 X 射線。 Wilkins 指,這個磁場被束縛,然後靠近黑洞,加熱周圍的一切,並產生高能電子,然後繼續產生 X 射線。

團隊下一步將更詳細地研究光線如何在黑洞周圍彎曲,並研究產生這種明亮 X 射線閃光的方式。

來源:
Live Science, Light from behind a black hole spotted for 1st time, proving Einstein right, 29 July 2021

報告:
Wilkins, D.R., Gallo, L.C., Costantini, E. & et al. (2021). Light bending and X-ray echoes from behind a supermassive black hole. Nature 595, 657–660 (2021). doi: 10.1038/s41586-021-03667-0

文/Alan Chiu

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