天文學(xué)家首次觀測到旋轉(zhuǎn)黑洞扭曲時(shí)空，證實(shí)愛因斯坦百年前預(yù)言

IT之家 1 月 4 日消息，天文學(xué)家首次觀測到旋轉(zhuǎn)黑洞附近的時(shí)空本身出現(xiàn)了擾動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)是在一顆恒星被摧毀的過程中揭示的，證實(shí)了愛因斯坦相對論的一項(xiàng)重要預(yù)測。

對于一直致力于捕捉宇宙中最難觀測的現(xiàn)象之一的科學(xué)家們而言，此次發(fā)現(xiàn)堪稱天文學(xué)領(lǐng)域的一次罕見突破。

在發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》的研究中，天文學(xué)家宣布首次直接探測到高速旋轉(zhuǎn)黑洞引發(fā)的時(shí)空渦旋畸變。

首次直接觀測到黑洞參考系拖曳現(xiàn)象

據(jù)IT之家了解，這種現(xiàn)象被稱為倫琴 - 塞林進(jìn)動(dòng)，也叫參考系拖曳效應(yīng)。其描述了旋轉(zhuǎn)的黑洞如何扭曲其周圍的時(shí)空，拖拽附近的物質(zhì)，并導(dǎo)致恒星和氣體的運(yùn)行軌跡緩慢擺動(dòng)。

該研究團(tuán)隊(duì)由中國科學(xué)院國家天文臺牽頭，卡迪夫大學(xué)參與協(xié)作。他們將研究焦點(diǎn)對準(zhǔn)了一個(gè)名為 AT2020afhd 的天體，這是一次潮汐瓦解事件（TDE），即一顆恒星因過于靠近超大質(zhì)量黑洞而被撕裂。

恒星撕裂過程中顯現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)吸積盤與噴流

恒星被撕碎后，其殘骸在黑洞周圍形成了高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤。與此同時(shí)，能量強(qiáng)大的物質(zhì)噴流以接近光速的速度向外噴發(fā)。

通過分析該事件產(chǎn)生的 X 射線和射電信號中重復(fù)出現(xiàn)的規(guī)律，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，吸積盤和噴流正同步發(fā)生擾動(dòng)。這種協(xié)同運(yùn)動(dòng)每 20 天重復(fù)一次，成為時(shí)空扭曲效應(yīng)存在的明確信號。

百年預(yù)言終獲證實(shí)

這一效應(yīng)背后的理念最早由愛因斯坦于 1913 年提出，后于 1918 年由倫琴與塞林完成數(shù)學(xué)層面的描述。此次新觀測不僅證實(shí)了廣義相對論的核心預(yù)言，還為研究人員提供了一種全新的手段，用于探究黑洞的自旋特性、物質(zhì)墜入黑洞的過程以及噴流的形成機(jī)制。

卡迪夫大學(xué)物理與天文學(xué)院高級講師、該論文合著者之一科西莫?因塞拉博士表示：“我們的研究提供了迄今為止最有力的證據(jù)，證明倫琴 - 塞林進(jìn)動(dòng)效應(yīng)確實(shí)存在 —— 黑洞會帶動(dòng)周圍時(shí)空一同旋轉(zhuǎn)，就像旋轉(zhuǎn)的陀螺會帶動(dòng)其周圍漩渦中的水流一樣。”

“對物理學(xué)家而言，這無疑是一份厚禮，因?yàn)槲覀冏C實(shí)了一個(gè)百年前的預(yù)言。不僅如此，這些觀測數(shù)據(jù)還讓我們對潮汐瓦解事件的本質(zhì)有了更深的認(rèn)識 —— 即恒星在黑洞超強(qiáng)引力的作用下被撕碎的過程。”

“與此前研究過的射電信號穩(wěn)定的潮汐瓦解事件不同，AT2020afhd 的信號存在短期變化，而這種變化無法歸因于黑洞及其周圍物質(zhì)釋放的能量。這一現(xiàn)象進(jìn)一步印證了我們關(guān)于參考系拖曳效應(yīng)的判斷，也為科學(xué)家探索黑洞提供了新方法。”

望遠(yuǎn)鏡如何捕捉到這一效應(yīng)

為探測參考系拖曳效應(yīng)的信號，研究團(tuán)隊(duì)分析了尼爾?格雷爾斯雨燕天文臺（雨燕望遠(yuǎn)鏡）的 X 射線觀測數(shù)據(jù)，以及卡爾?G?揚(yáng)斯基甚大陣列（VLA）的射電觀測數(shù)據(jù)。

他們還借助電磁光譜學(xué)研究了黑洞周圍物質(zhì)的構(gòu)成與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這有助于確定相關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與屬性，進(jìn)而證實(shí)其背后的物理過程。

因塞拉博士解釋道：“證實(shí)黑洞能夠拖曳時(shí)空并產(chǎn)生參考系拖曳效應(yīng)的同時(shí)，我們也正逐步厘清這一過程的運(yùn)行機(jī)制。這就像帶電物體旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生磁場一樣，我們觀測到大質(zhì)量旋轉(zhuǎn)天體 —— 此處即黑洞，會產(chǎn)生一種引力磁場，這種引力磁場會對附近恒星及其他宇宙天體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。這一發(fā)現(xiàn)提醒著我們，尤其是在節(jié)日季仰望璀璨夜空、心生贊嘆之時(shí)：我們已然有能力去發(fā)現(xiàn)自然界中那些形態(tài)各異、超乎想象的神奇天體。”