爱因斯坦又对了!5350万光年外的黑洞,再次应验广义相对论的预言
火星科普
2023-10-01 20:40:13
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原标题:爱因斯坦又对了!5350万光年外的黑洞,再次应验广义相对论的预言

在《自然》(Nature)杂志最近刊载的一项新研究中,我国科学家领导的一个国际研究团队,通过对黑洞的观测分析,再次证明了爱因斯坦广义相对论的正确性。

如果要说对广义相对论最直观的证明,当属2019年公布的第一张黑洞照片。天文学家利用事件视界望远镜(EHT)捕捉到了M87星系中心的超大质量黑洞,从中可以看到明亮的圆盘绕着一个黑色的区域,这是人类第一次直接观测到黑洞。这个黑洞的质量为太阳的66亿倍,与地球相距5350万光年。

广义相对论本质上是一种引力理论,它通过时空几何效应来描述引力作用,由此可以比牛顿万有引力定律更加精确预言天体运动。尤其是在极端引力场的情况下,牛顿引力理论的预言误差很大,此时只能利用广义相对论来描述。过去百年来,天文学家不断观测强引力场中的引力现象,以此在严苛条件下来检验广义相对论。

黑洞是广义相对论的一个重要预言之一。根据广义相对论,当把一个物体的尺寸压缩到足够小的程度,也就是小于自身史瓦西半径时,它就会无限坍缩成一个奇点,其极端的引力会扭曲周围的时空,将奇点包裹起来,使得光进入这样的空间中无法逃脱,这样就成了不发光的黑洞。

由于黑洞自身不发光,过去都是通过间接方法来研究黑洞的存在。直到事件视界望远镜投入使用,才让直接观测黑洞成为可能。

虽然黑洞本身是黑的,但它们会吞噬周围的物质。当这些物质在螺旋掉入黑洞的过程中,在黑洞极端引力的作用下,物质之间相互剧烈摩擦,可以转变成巨大的能量,其质能转换效率最高可达40%,而氢核聚变的质能转换效率仅有0.7%。

于是,在一些黑洞周围,就会形成一个发光的明亮圆盘,这就是吸积盘。事件视界望远镜观测到黑洞的发光部分即为吸积盘,而黑洞本体就位于吸积盘的中间。

在垂直于吸积盘方向,还会有一些物质被以接近光速的速度喷射出来,这就是黑洞喷流。据估计,M87星系中心超大质量黑洞的喷流长度可达5000光年。

此外,黑洞自身也在自转。如果黑洞自转轴方向与吸积盘喷流方向不重合,随着黑洞的自转,就能观测到喷流出现周期性摆动。此次天文学家观测到了M87星系中心超大质量黑洞的喷流摆动,周期为11年,由此也证实了这个黑洞在自转。

根据广义相对论,对于黑洞这种产生极端引力场的天体,在自转过程中,还会对周围的时空产生显著的系拖拽,这就是所谓的参考系拖拽效应。在这项新研究中,天文学家详细观测了参考系拖拽,结果表明完全吻合广义相对论的预言。

再过几天,一年一度的诺贝尔物理学奖又要公布了。虽然爱因斯坦并没有因为广义相对论而获得诺奖,但广义相对论作出了诸多的预言都被天文观测一一证实,其中包括引力波、黑洞,多位物理学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

参考文献

[1] Yuzhu Cui, Kazuhiro Hada, Tomohisa Kawashima, et al. Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87, Nature, 2023, 621, 711-715.

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