在一张黑洞的照片中，可能是解开谜团的钥匙

全世界数十亿人对第一张拍摄到的黑洞图像惊叹不已。这张发光的模糊甜甜圈的照片由事件视界望远镜(EHT)团队拍摄，显示了一个巨大的黑暗区域，一个我们太阳系大小的怪物，和它的同行一样，它吞噬了一切太近的东西-甚至是光。

哈佛大学自然基本法则中心的三年级研究员亚历山大·卢普萨斯卡(Alexander Lupsasca)回忆起第一次看到这张照片的那一刻说：“我的脊椎肯定发抖了。”这是令人兴奋的，因为人们对黑洞知之甚少。现在，Lupsasca和哈佛大学黑洞计划的一组科学家表示，这张图像可能有助于提供更多的答案：在发光的光环中隐藏着无限数量的子环，这些子环提供了一种方法，可以捕捉到更高分辨率的图像和关于宇宙巨大谜团的更精确的数据。

“它们是自相矛盾的东西。他们是我们不理解的东西的缩影，“哈佛大学格威尔·E·约克物理学教授安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)说。“看到一些你不理解的东西是非常令人兴奋的。”黑洞是现代物理学最大的谜题之一--爱因斯坦的相对论和量子力学在这里碰撞。科学家们仍然对它们知之甚少--它们的质量，它们的旋转速度，它们扭曲的时空里有什么。在EHT制作出第一张真实的图像之前，斯特罗明格只能用复杂的数学、铅笔和纸来研究它们的奥秘。“当我看到他们的照片时，我哭了，”他说。然后，他问道：“我们能从中学到什么？”

斯特罗明格说，人们担心的是，这张图像只会揭示关于旋转的发光物质的信息，这些物质大多是被加热到数十亿华氏度的气体，并被环绕和环绕的光线背光照射。这个被斯特罗明格称为“中间的奖品”的黑洞在喷气式飞机上投下了阴影，给科学家们提供了一些关于其质量的模糊线索。

这张照片将像斯特罗明格这样的理论家和像迈克尔·约翰逊这样的观察家聚集在一起，迈克尔·约翰逊是EHT团队最近发表在科学进展上的研究的第一作者，也是黑洞倡议的天体物理学家。约翰逊说：“这是一个新结果如何促使这些意想不到的新合作的例子。”

这个跨学科的团队共同发现，甜甜圈不只是一个甜甜圈，而是在越接近黑洞活动视界-黑洞周围的边界-物质甚至光消失到不知道哪里的地方，在更细的环路中弯曲的光的子环的集合。就在外面，这就是研究小组所说的光子壳。“在那个区域，”卢普萨斯卡说，“引力不足以永远捕获光线，但它足够强，使光线偏转得如此之多，以至于它们绕着圈子转。”没有什么能像黑洞那样使光线弯曲。

他说，正如斯特罗明格所担心的那样，仅仅是其中一个光环的图像就能提供关于黑洞外的地狱的信息，但关于“奖品”的信息并不多。但研究小组对此有一个解决方案：通过第二个光环的图像，他们可以比较两个不同时间段的黑洞。每个光环就像黑洞在其历史上不同时刻的镜像，与树的年轮没有什么不同。因此，就像被镜子包围的人的无限反射一样，堆叠的图像提供了足够的数据来了解黑洞的基本属性：质量和自旋。

这些光环还揭示了黑洞是如何扭曲时空的。它们各自的亮度、厚度和形状取决于怪物对周围地理环境的操纵。事实上，这些光环远不是完美的圆圈--就像一只被排水沟的重力吸引住的虫子，每个光环都在黑洞奇异的地貌周围编织了一条弯曲的路径。

这就是事情变得奇怪的地方：一个黑洞储藏着过去的图像。光是由光子组成的，每一个光子都携带着它击中的任何物体的一点图像。所以当你看到一棵树时，光线照射到树上，反射到你的眼睛上，你的大脑最终会像马赛克一样把它们拉在一起。Lupsasca说，卡在黑洞引力中的光可以循环一次、两次或无限次，这取决于它的接近角度。那些最终向地球方向逃逸的物体反映了当它们进入黑洞的引力时宇宙的样子。光被囚禁的时间越长，它们的图像显示得越早。

约瑟夫·佩莱格里诺大学(Joseph Pellegrino University)科学史和物理学史教授彼得·加里森(Peter Galison)在黑洞倡议的新闻稿中说，“当我们凝视这些环，第一、第二、第三等环时，我们看到的是来自可见宇宙各处的光；我们看到的是越来越远的过去，可以说是一部关于可见宇宙历史的电影，”约瑟夫·佩莱格里诺大学(Joseph Pellegrino University)科学史和物理史教授彼得·加利森(Peter Galison)在黑洞倡议的新闻稿中说。

为了捕捉M87黑洞的原始图像，EHT的工作人员需要一个地球大小的望远镜。因为他们不能建造那么大的仪器，所以他们创造了一个虚拟的仪器，将来自世界各地的多个射电望远镜连接起来，提供不同的黑洞拼图。

约翰逊说，通常情况下，这种形式的观测--称为干涉测量法--需要两个以上的望远镜。但是黑洞的光环有一个特殊的特性：它们以独特的振荡信号编码它们的特性。约翰逊说，因为这个签名，“你只用两个望远镜就可以知道你需要知道的关于戒指的一切。”

黑洞计划已经有了一个--他们用来观测第一个光环的虚拟地球大小的望远镜。对于第二个，他们只需要在两者之间有一个更长的基线-一个在轨道上或在月球上就可以了。约翰逊说，较长的基线可以将原始照片的分辨率提高100倍。

今年，COVID-19大流行阻止了EHT捕捉到M87黑洞的新图像。四月是世界上唯一一个天气足够晴朗的月份，每个望远镜都可以拍摄到干净的照片。“这太让人心碎了，”约翰逊说。

尽管如此，研究小组仍然希望他们能在大约10到20年内捕捉到两个子环的更高分辨率的图像-考虑到第一张黑洞图像只有一年的历史，这是一个很短的时间。