爱因斯坦又预测对了，科学家首次证实时空结构会在黑洞边缘发生“最后的崩塌”

IT之家 5 月 28 日消息，牛津大学科学家领导的国际团队证实了爱因斯坦广义相对论中一个关于黑洞的关键预测，首次证明黑洞周围存在着一个“坠落区（plunging region）”，即物质不再像漩涡一样围绕黑洞旋转而是直接坠入黑洞的区域。

此外，他们还发现该区域展现出了银河系目前已知最强引力，相关论文发表于最新一期《皇家天文学会月报》（IT之家附 DOI:10.1093/mnras/stae1160）。

英国牛津大学物理系科学家开展了一项题为“黑洞盘的下沉区域内连续辐射”的研究，利用一系列 X 射线数据研究了离地球相对较近的小黑洞，包括美国宇航局的核光谱望远镜阵列 (NuSTAR) 和国际空间站安装的中子星内部组成探测器 (NICER)。

值得一提的是，作为一项耗资数百万欧元的欧洲计划的一部分，今年晚些时候还将会有另一个牛津大学团队计划制作一部关于黑洞的电影，其中涉及到的黑洞要比上述黑洞更大、更远。

爱因斯坦的广义相对论提出，有质量的物体会导致空间和时间的结构发生扭曲。简单来说，“时空”是由空间和时间统一形成的四维实体，而引力则是由这种扭曲所产生的“果”。

虽然广义相对论属于四维时空下的理论，但我们可以通过一个粗略的二维类比来帮助大家进行理解。想象一下，在一块拉伸的橡胶布上放置一个球，而这块布会因为球体质量的增加而产生一个凹陷区域，这类似于月球、行星和恒星“凹陷”四维时空。物体质量越大，它们引起的时空曲率就越大，引力影响也就越强，而黑洞就是目前宇宙中已知密度最大的天体。

回到广义相对论，爱因斯坦认为这种时空弯曲会导致一些有趣的物理现象，例如由于角动量的存在，物质是不会直接落入黑洞的，而是围绕黑洞进行旋转，所以黑洞周围会存在一个扁平的旋转云，我们一般称之为吸积盘。从吸积盘区域开始，物质会不可避免地被逐渐吸入黑洞。

根据爱因斯坦的预测，黑洞边界之外必定存在一点，粒子在此处无法再维持稳定的圆形轨道。相反，进入该区域的物质将以接近光速的速度向黑洞坠落。

该项研究的主要负责人、物理系博士安德鲁・穆默里（Andrew Mummery）说道：“这是我们第一次观察到等离子体如何从恒星外缘剥离，最终坠入黑洞中心，这一过程发生在距离我们大约 10,000 光年外。而最令人兴奋的是，银河系中有很多黑洞，我们现在拥有了一种新技术，可以利用它们来研究已知最强的引力场。”

穆默里博士补充道：“爱因斯坦预言了这种‘最后的崩塌’，但我们是首个证实这一理论的人。想象一下一条河流变成瀑布 —— 迄今为止，我们一直在观察这条河流，而这是我们第一次看到瀑布。我们相信这是黑洞研究史上一项令人兴奋的进展，可以让我们探索黑洞周围的最终区域。而只有理解了这种‘最后的崩塌’，我们才能充分掌握其中的引力。”

实际上，天体物理学家长期以来一直在研究围绕黑洞运行的“吸积盘”，以了解此类天体近表面的情况，而关于这个“坠落区”是否可以被探测到则一直存在争议。牛津大学团队花了数年时间开发模型，最终使用 X 射线望远镜和国际空间站的数据进行了证实。

研究团队研究的这个黑洞（MAXI J1820+070）距离地球约 10000 光年，质量约为 8 个太阳，目前正从源源不断地从其伴星吸取物质，同时以接近 80% 光速的速度射出两个喷流，这一过程中同时还会发出强烈的 X 射线。

研究小组发现，处于“软状态”爆发期的 MAXI J1820+070 的 X 射线光谱代表了围绕旋转黑洞（克尔黑洞）的吸积盘发出的辐射，这意味着我们观察到了一个完整的吸积盘，其中也包括“坠落区”。

研究人员表示，这一发现是首次在黑洞吸积盘内缘附近明显探测到来自“坠落区”的辐射，他们将这种信号称为“ISCO 内辐射”。这些“ISCO 内辐射” 验证了广义相对论在描述黑洞周围区域的准确性。

这项研究虽然只是聚焦于靠近地球的小黑洞，但牛津大学物理系的另一个研究团队正参与到非洲毫米波射电望远镜的计划中。该望远镜将极大地提升我们直接获取黑洞图像的能力。目前该项目已经获得超过 1000 万欧元（IT之家备注：当前约 7870 万元人民币）的资金，其中一部分将资助纳米比亚大学首批天体物理学博士生，他们将与牛津大学物理系团队合作以进行进一步研究。

科学家认为，非洲毫米波射电望远镜将首次实现观测并拍摄到位于我们银河系中心以及更远地方的大黑洞。和小型黑洞一样，大型黑洞也会拥有“事件视界”。这些黑洞代表着难以想象的能量源，研究团队希望能首次实现观测并拍摄到它们旋转的景象。

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