愛因斯坦百年預(yù)言獲證實(shí) 黑洞扭曲時(shí)空首次被直接觀測(cè)

科學(xué)家首次捕捉到時(shí)空漩渦的明確證據(jù)，這一現(xiàn)象在一個(gè)多世紀(jì)前就由愛因斯坦預(yù)言，但直到現(xiàn)在才得以直接觀測(cè)。這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的研究顯示，黑洞能夠扭曲時(shí)空本身的結(jié)構(gòu)，使附近的物質(zhì)進(jìn)入搖擺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

這種效應(yīng)被稱為蘭斯-蒂林進(jìn)動(dòng)或參考系拖曳。當(dāng)快速旋轉(zhuǎn)的黑洞拖拽周圍的時(shí)空一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，就像旋轉(zhuǎn)的陀螺在水中形成漩渦一樣。該現(xiàn)象源于愛因斯坦的相對(duì)論，該理論將引力描述為由質(zhì)量和能量引起的時(shí)空曲率，而非簡(jiǎn)單的拉力。

由中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)領(lǐng)導(dǎo)、卡迪夫大學(xué)支持的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)一次名為AT2020afhd的潮汐瓦解事件進(jìn)行了研究。潮汐瓦解事件發(fā)生在恒星靠近黑洞太近時(shí)，強(qiáng)大的引力將其撕碎。在這次事件中，一顆恒星被一個(gè)超大質(zhì)量黑洞摧毀，這種黑洞的質(zhì)量是太陽的數(shù)百萬或數(shù)十億倍，通常位于星系中心。恒星的殘骸形成了吸積盤，這是一種由極熱氣體和碎片組成的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在引力作用下螺旋向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，強(qiáng)大的等離子體噴流和高能粒子以接近光速的速度向外噴射。

通過追蹤X射線和無線電信號(hào)的變化，研究人員注意到吸積盤和噴流以大約20天為周期一起搖擺。X射線是黑洞附近極熱物質(zhì)產(chǎn)生的高能電磁輻射，而無線電信號(hào)是天文學(xué)家用來研究噴流、磁場(chǎng)和高能粒子的長(zhǎng)波輻射。這種同步運(yùn)動(dòng)正是理論預(yù)測(cè)的結(jié)果，但此前從未得到如此詳細(xì)的證實(shí)。

來自卡迪夫大學(xué)的共同作者科西莫·因塞拉博士解釋說，該研究展示了迄今為止最令人信服的蘭斯-蒂林進(jìn)動(dòng)證據(jù)，黑洞拖拽時(shí)空的方式就像旋轉(zhuǎn)的陀螺可能拖拽周圍水流形成漩渦一樣。

研究增添了重要的科學(xué)背景。理論和模擬長(zhǎng)期以來一直表明，黑洞附近極端的時(shí)空曲率會(huì)彎曲光和物質(zhì)的路徑，在強(qiáng)相對(duì)論力作用下產(chǎn)生吸積盤和噴流進(jìn)動(dòng)效應(yīng)，這些效應(yīng)在引力強(qiáng)烈或物質(zhì)接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)變得顯著。使這個(gè)案例特別突出的是明確的觀測(cè)證據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了X射線和無線電信號(hào)中19.6天的準(zhǔn)周期性變化，這種重復(fù)但不完全規(guī)則的周期，其中X射線振幅比正常情況強(qiáng)十倍以上。幾乎同步的變化指向了控制兩個(gè)輻射產(chǎn)生區(qū)域的共同機(jī)制。

吸積盤-噴流蘭斯-蒂林進(jìn)動(dòng)模型能夠重現(xiàn)這些變化，數(shù)據(jù)表明所涉及的黑洞屬于低自轉(zhuǎn)類型，意味著它的旋轉(zhuǎn)速度比許多相對(duì)論模型預(yù)測(cè)的快速旋轉(zhuǎn)黑洞要慢。研究還發(fā)現(xiàn)了潮汐瓦解事件中的短期無線電變化，這是以前從未見過的現(xiàn)象。研究人員表示，這突顯了高頻率無線電監(jiān)測(cè)的重要性，即在短時(shí)間間隔內(nèi)頻繁重復(fù)觀測(cè)，這可能揭示更多關(guān)于黑洞如何塑造周圍環(huán)境的信息。

這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了阿爾伯特·愛因斯坦在1913年提出的預(yù)言，該預(yù)言后來由約瑟夫·蘭斯和漢斯·蒂林在1918年用數(shù)學(xué)方式定義。它為研究黑洞自轉(zhuǎn)、吸積物理學(xué)以及噴流形成開辟了新路徑，其中吸積物理學(xué)研究物質(zhì)如何落入大質(zhì)量天體并釋放能量，而噴流形成則是旋轉(zhuǎn)物質(zhì)和磁場(chǎng)將高能等離子體窄流發(fā)射到太空的過程。對(duì)于科學(xué)家而言，這是一個(gè)罕見的機(jī)會(huì)，可以觀察時(shí)空本身如何被宇宙中最極端的天體之一扭曲。