首次探测到来自黑洞后面的光

斯坦福大学的天体物理学家丹·威尔金斯 (Dan Wilkins) 看着 X 射线从 8 亿光年远的星系中心的超大质量黑洞射入宇宙，发现了一种有趣的模式。他观察到一系列明亮的 X 射线耀斑——令人兴奋，但并非史无前例——然后，望远镜记录了一些意想不到的东西：比明亮的耀斑更小、更晚、“颜色”不同的额外 X 射线闪光。根据理论，这些发光回波与从黑洞后面反射的 X 射线是一致的——但即使对黑洞有基本的了解，也告诉我们这是一个奇怪的光来源。 “进入那个黑洞的任何光都不会出来，所以我们应该看不到黑洞后面的任何东西，”威尔金斯说，他是卡夫利粒子天体物理学和宇宙学研究所的研究科学家。斯坦福大学和 SLAC 国家加速器实验室。然而，黑洞的另一个奇怪特征使这种观察成为可能。威尔金斯解释说：“我们之所以能看到这一点，是因为那个黑洞正在扭曲空间、弯曲光线并扭曲自身周围的磁场。” 7 月 28 日发表在《自然》杂志上的一篇论文中详细介绍了这一奇怪的发现，这是对来自黑洞后面的光的首次直接观察——爱因斯坦的广义相对论预测了这种情况，但直到现在才得到证实。 “五十年前，当天体物理学家开始推测黑洞附近可能会如何表现时，他们不知道有一天我们可能会拥有直接观察这一现象并看到爱因斯坦广义相对论在行动的技术，”罗杰布兰福德说，该论文的合著者，是人文与科学学院的 Luke Blossom 教授，斯坦福大学和 SLAC 物理学教授。这项研究背后的最初动机是为了更多地了解某些 的神秘特征，称为日冕。落入 A 中的物质会成为宇宙中最亮的连续光源，并且在此过程中会在黑洞周围形成日冕。这种光线——也就是 X 射线——可以被分析来绘制和表征黑洞。日冕是什么的主要理论始于气体滑入黑洞，在那里它过热到数百万度。在那个温度下，电子与原子分离，产生磁化等离子体。被黑洞强大的旋转所吸引，磁场在黑洞上方如此高处形成弧形，并围绕自身旋转如此之多，以至于最终完全破裂——这种情况让人想起我们自己的太阳周围发生的事情，以至于借用了命名为“电晕”。威尔金斯说：“这个磁场被束缚，然后靠近黑洞，加热它周围的一切，并产生这些高能电子，然后继续产生 X 射线。”

当威尔金斯仔细观察耀斑的起源时，他看到了一系列较小的闪光。研究人员确定，这些是相同的 X 射线耀斑，但从圆盘的背面反射——这是对黑洞远端的第一眼。 “几年来，我一直在对这些回声对我们的看法进行理论预测，”威尔金斯说。 “我已经在我一直在发展的理论中看到了它们，所以一旦我在望远镜观测中看到它们，我就能弄清楚它们之间的联系。”表征和理解日冕的任务仍在继续，需要更多的观察。未来的一部分将是欧洲航天局的 X 射线天文台雅典娜（高能天体物理学的高级望远镜）。作为斯坦福大学物理学教授和 SLAC 粒子物理学和天体物理学教授史蒂夫艾伦实验室的成员，威尔金斯正在帮助为雅典娜开发部分广角成像仪探测器。 “它有一个比我们在 X 射线望远镜上使用过的镜子更大的镜子，它将让我们在更短的观察时间内获得更高分辨率的外观，”威尔金斯说。 “因此，有了这些新的天文台，我们目前开始从数据中获得的图像将变得更加清晰。”这项研究的合著者来自圣玛丽大学（加拿大）、荷兰空间研究所（SRON）、阿姆斯特丹大学和宾夕法尼亚州立大学。更多信息：来自超大质量黑洞后面的光弯曲和 X 射线回波，《自然》（2021 年）。 DOI：10.1038/s41586-021-03667-0，www.nature.com/articles/s41586-021-03667-0