黑洞阴影对广义相对论的考验

如果一张图片胜过千言万语，那么第一张黑洞的水平尺度图像会告诉我们什么呢?来自事件视界望远镜(EHT)合作项目的研究人员的一篇新论文提供了一些有启发性的答案，该项目拍摄了M87中心黑洞的著名图像。基于对黑洞阴影的分析，该团队对广义相对论进行了独特的测试，加深了对黑洞不寻常性质的理解黑洞排除了很多其他选择。这项研究发表在物理评论快报，由Dimitrios Psaltis(国际会计准则成员，2001-03)Lia Medeiros高等研究院(IBob的游戏AS)，以及Feryal Ozel(国际会计准则协会成员，2002-05)和皮埃尔·克里斯蒂安，都是亚利桑那大学的，并由EHT合作共同撰写。

黑洞的强烈引力弯曲时空，就像放大镜一样，使黑洞的阴影看起来更大。通过测量这种视觉失真，研究小组发现黑洞阴影的大小证实了广义相对论的预测。在超大质量黑洞边缘进行的引力测试是物理学的第一次，并进一步证明了爱因斯坦的理论即使在最极端的条件下也仍然完好无损。

“这真的只是个开始。我们现在已经证明，使用黑洞的图像来测试引力理论是可能的，”Medeiros解释说。“一旦我们对银河系中心的黑洞进行成像，以及在未来使用附加望远镜进行EHT观测时，这项测试将更加强大。”

黑洞的阴影不同于日常生活中遇到的阴影。物理物体通过阻止光线通过而投射出阴影，而黑洞则可以通过吸光来产生阴影的效果。虽然光不能从黑洞内部逃逸，但光有可能——尽管不太可能——从事件视界周围的区域逃逸，这取决于它的轨迹。结果是，在无法回头的临界点之外，出现了一片模糊的无人区，在观察者看来，这片无人区就像一个阴影。

引力测试已经在各种宇宙环境中进行过。在1919年的日食期间，广义相对论的第一个证据是基于星光的位移被发现的，星光沿着由太阳引力引起的时空曲率行进。最近，在太阳系外和宇宙尺度上进行了探测重力的测试。例子包括激光干涉引力波天文台(LIGO)对引力波的探测。引力波在时空结构中传播，就像池塘里的涟漪一样，因为广义相对论预测了时空的动态性质。

这篇新的EHT论文关注的是一个以前未被探索的黑洞研究参数空间。除了为所有可选的引力公式提供一个全新的测试外，它还将黑洞图像的约束与其他引力实验的约束联系起来。EHT合作研究的M87中心的超大质量黑洞比太阳大65亿倍。相比之下，引力波探测器监测的恒星质量黑洞的质量从5到几十个太阳质量不等。这种多样化的观点对于更全面地理解黑洞的本质至关重要。

观测到的黑洞阴影近乎圆形的形状，也可能导致对广义相对论无毛定理的检验，该定理认为黑洞完全由它的质量、旋转和电荷来描述。换句话说，两个拥有相同质量、旋转和电荷的黑洞将被认为是不可区分的——类似于亚原子粒子的相同性质。如果几何不规则被检测到，它将潜在地表明除了质量、旋转和电荷之外，黑洞还存在其他性质。

在另一项研究中，“非克尔时空中黑洞阴影形状的参数化模型，发表于天体物理学杂志今年，Medeiros、Psaltis和Özel通过模拟几种不同的时空和引力理论，探索了黑洞阴影的大小和形状。黑洞的阴影只取决于周围时空的几何形状，而不是天体物理学吸积过程。

EHT合作及其成员正在进行的工作将继续为黑洞的隐藏框架和可见特征带来光明。

已发表的PRL文章已提供在这里．

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关于EHT
2019年4月10日，国际EHT合作通过创建一个虚拟的地球大小的望远镜，宣布了射电星系梅西耶87 (M87)中心的第一张黑洞图像。EHT使用新颖的系统连接现有的望远镜，创造了一种具有迄今为止最高角度分辨率的新仪器。这项技术已经被用于测量室女座A星系中心M87黑洞阴影的大小。在未来的几年里，国际EHT团队将开展分辨率和灵敏度不断提高的观测活动，旨在聚焦黑洞。