天文|黑洞这么“黑”，该怎么研究它呢？先拍照在分析
简介：2019年事件视界望远镜发布了通过干涉测量技术合成的首张黑洞图像 。 其展示了由于引力弯曲导致光子掉落视界周围这一现象 ， 研究人员正尝试在新的研究中结合EHT图像与光子环的特征 ， 进一步揭示黑洞的奥秘 。
在2019年4月 ， 事件视界望远镜发布了全球第一张黑洞影像 ， 这是里程碑式的一大进步 。 这一成就酝酿了数十年之久并且引发了国际媒体的高度关注 。 该影像是干涉法测量技术的成果 ， 通俗的说也就是世界各地的天文台将他们的望远镜射出的光结合在一起 ， 共同组成的一张合成图像 。
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这个影像证实了天文物理学家长期以来的对极端的引力弯曲会造成光子落在黑洞边界周围 ， 形成一种环绕它们的白色光环的一种猜测 。 在2019年4月初 ， 一个来自哈佛—史密森天体物理中心（CfA）的研究观察组发布了一项新的研究调查 ， 其说明了黑洞影像如何揭示黑洞内部复杂的子结构 。
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这项被命名为“黑洞光子环的普遍干涉特征”的研究 ， 形象的描述了他们的发现 ， 并且发表在《科学进展》的杂志上 。 该团队是由迈克尔·约翰逊领导的 ， 他是一位哈佛—史密森天体物理中心的天体物理学家 ， 并且团队成员都是从哈佛黑洞计划（BHI）的诱导成员、洛斯阿拉莫斯国家实验室、普林斯顿理论科学中心和多个大学招募的 。 正如约翰逊在这一次CfA新闻发布会上所解释的那样：
“黑洞的图像事实上包含了一系列嵌套的环 ， 每一个连续的环大概都有相同的直径 ， 但由于它的光绕黑洞旋转的时间比到达观测点的时间长 ， 所以变得越来越尖锐 。 在当前的EHT图像中 ， 我们仅仅只是看见了任何黑洞图像中应该出现的复杂度 。 ”
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广义相对论告诉我们 ， 引力场改变了时间和空间的曲率 。 那么就以黑洞为例 ， 这种效果是极端的 ， 甚至可能造成光（光子）在黑洞周围漫射 。 这些光子在正在下落的气体和尘埃形成的明亮光环上投下阴影 ， 这些气体和尘埃会在黑洞的引力作用下加速到相对论速度 。
在这个阴影区域的周围是一个“光子环” ， 它是由黑洞附近的强引力所聚集的光子产生的 。 这些环可以告诉天文学家许多关于黑洞的信息 ， 因为它的大小和形状揭示了黑洞自身的质量和旋转状态（又名“自旋”） 。 因为EHT图像的出现 ， 现在的黑洞研究人员有了可以研究黑洞的工具 。
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显示黑洞内部结构的注释图像 。 资料来源:George Wong (UIUC)和Michael Johnson (CfA)
自20世纪50年代以来 ， 天文学家通过研究它们对周围环境的影响 ， 对它们了解了很多 。 换句话说 ， 在此之前 ， 天文学家们对黑洞的研究在本质上是间接性和理论性的 ， 但有了拍摄这些天体图像的能力 ， 天文学家终于可以直接研究它们并收集真实数据 。
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黄万长是一名伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学研究生 ， 他负责研发一种模拟黑洞图像的软件 。 该软件允许拍摄计算迄今为止分辨率最高的图像 ， 并允许他们的团队将其分解为预测的子图像序列 。 正如黄万长所说的：
“把来自不同领域的专家聚集在一起 ， 使我们能够真正地把对光子环的理论理解与观测的可能性联系起来 ， 并且一开始的传统的纸笔计算会促使我们将模拟推向新的极限” 。
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然而 ， 令研究人员特别惊讶的是那些黑洞图像揭示的子结构 ， 因为通过知道这些子结构可以为黑洞的科研提供多么好的机会 。 虽然它们所揭示的子带通常在图像上且肉眼是看不见的 ， 但在使用干涉测量法的望远镜阵列观测中 ， 它们会产生非常清晰的脉冲信号 。
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美国宇航局可视化的黑洞(注释) 。 资料来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/杰里米·施尼特曼
这为天文学家提供了一个相对简单的方法来扩展EHT迄今为止所进行的工作 。 “虽然通常拍摄黑洞图像需要许多分布式望远镜 ， 但子带非常适合只使用两个相距很远的望远镜进行研究”约翰逊说到“所以在EHT上添加一个太空望远镜足够了 。 ”
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