基本上我們所具備的所有關(guān)于黑洞的知識(shí)只是停留在間接證據(jù)層面。廣義相對(duì)論只是預(yù)見(jiàn)了黑洞的存在以及物質(zhì)圍繞黑洞的方式，而基于相對(duì)論的電腦模擬黑洞和我們所能觀測(cè)到的旋繞黑洞的吸積盤(pán)和被黑洞以近乎光速?lài)姵龅木蘖课镔|(zhì)作比較。但在2019年，射電天文學(xué)家們?cè)贛87星系捕捉到了第一張超大質(zhì)量黑洞的圖像。這一發(fā)現(xiàn)為我們探索相對(duì)論的極限提供了令人興奮的新方式。

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發(fā)現(xiàn)第一張超大質(zhì)量黑洞直接圖像的事件視界望遠(yuǎn)鏡合作廣義相對(duì)論是一條早已經(jīng)過(guò)多次科學(xué)論證的理論。但此理論也并非全無(wú)漏洞。最主要的是它與另一條科學(xué)理論——量子力學(xué)——無(wú)法相互支持。理論物理學(xué)家們?cè)岢隽艘恍┽槍?duì)廣義相對(duì)論的調(diào)整理論。這些模型只與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論有少許不同，使之很難論證。一篇新刊登在物理評(píng)論快報(bào)上的文章揭示了對(duì)于M87星系的黑洞觀測(cè)如何幫助我們了解這些替代理論。

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Nicolle?R.?Fuller/NSF指出當(dāng)黑洞被熱氣云環(huán)繞時(shí)，光被黑洞的引力彎曲折射出黑洞的影子。射電光被黑洞的引力彎曲折射出我們看到M87星系中模糊的光環(huán)。這基本上就是黑洞光亮旋轉(zhuǎn)的邊緣。廣義相對(duì)論預(yù)示的影子的范圍從黑洞團(tuán)到圍繞黑洞旋轉(zhuǎn)環(huán)裝的明暗交替區(qū)域。而廣義相對(duì)論的替換理論對(duì)于影子的范圍和物質(zhì)環(huán)的形狀稍有不同。所以團(tuán)隊(duì)觀測(cè)研究了M87星系以便找出合適的替換理論。

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任何對(duì)于廣義相對(duì)論的調(diào)整都會(huì)對(duì)在黑洞極端引力環(huán)境下的引力的作用得出不同的結(jié)論。有些理論出入更大。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)通過(guò)觀測(cè)M87星系并未給這些調(diào)整理論多少調(diào)整的余地。The?LIGO?and?Virgo引力波觀測(cè)站確認(rèn)了廣義相對(duì)論所論證的黑洞的大小可以達(dá)到150個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。

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這項(xiàng)新的研究在原有的基礎(chǔ)上改進(jìn)了500倍。這意味著如果另一種理論是正確的，它的區(qū)別只會(huì)存在于極強(qiáng)引力區(qū)，這些區(qū)域的引力甚至比大部分黑洞附近的引力更強(qiáng)。

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不久，天文學(xué)家就會(huì)公開(kāi)這個(gè)存在于銀河系中的特大質(zhì)量黑洞的直觀圖片。這些圖片會(huì)進(jìn)一步減少不確定性，甚至可以揭開(kāi)這個(gè)讓愛(ài)因斯坦都無(wú)法想象的物理學(xué)領(lǐng)域的神秘面紗。

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廣義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦于1915年發(fā)表的一種引力幾何理論（，也是目前現(xiàn)代物理學(xué)中對(duì)引力的描述）（與后面內(nèi)容重復(fù)）。廣義相對(duì)論不僅概括了狹義相對(duì)論、完善了牛頓的萬(wàn)有引力定律，還提供了對(duì)引力的統(tǒng)一描述，即引力是空間和時(shí)間或者四維空間的幾何屬性。特別地，廣義相對(duì)論說(shuō)明了時(shí)空曲率與能量和動(dòng)量直接相關(guān)，這些能力和動(dòng)量可以來(lái)自任何存在的物體或輻射，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程就是揭示了這一關(guān)系的偏微分方程。

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廣義相對(duì)論的某些預(yù)測(cè)與經(jīng)典物理學(xué)的預(yù)測(cè)有很大不同，特別是關(guān)于時(shí)間的流逝、空間的幾何形狀、自由落體的運(yùn)動(dòng)以及光的傳播。具體例子包括引力時(shí)間膨脹、引力透鏡、光的引力紅移、引力時(shí)間延遲和黑洞的奇點(diǎn)。迄今為止，所有觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了廣義相對(duì)論中涉及經(jīng)典物理學(xué)的預(yù)測(cè)。盡管廣義相對(duì)論不是唯一的相對(duì)論引力論，但它是符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的最簡(jiǎn)理論。不過(guò)，仍有“如何使廣義相對(duì)論與量子物理學(xué)定律相一致，以產(chǎn)生一個(gè)完整且自洽的量子引力理論”這樣基本的問(wèn)題待解決。

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愛(ài)因斯坦的理論具有重要的天體物理學(xué)意義。例如，它暗示了黑洞是大質(zhì)量恒星的最終狀態(tài)。因?yàn)楹诙词强臻g和時(shí)間扭曲的空間區(qū)域，以至于沒(méi)有任何東西甚至是光都無(wú)法逃脫。有足夠的證據(jù)表明某些天文物體發(fā)出的強(qiáng)烈輻射是由于黑洞造成的。例如，微類(lèi)星體和活躍的銀河核的輻射就分別來(lái)自恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞。

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作者：BRIAN KOBERLEIN

FY：Astronomical volunteer team

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