科学家设计出一种可更容易观测黑洞的新成像技术

现在，哥伦比亚大学的一对研究人员已经设计出了一种可能更容易凝视深渊的方法。他们在发表在《Physical Review Letters》和《Physical Review D》的补充研究中描述了一种新的成像技术，它可以让天文学家研究一个比M87小、质量为65亿个太阳并藏在比M87更遥远的星系中的怪物。

这项技术的使用只有两个要求：首先，需要一对处于合并阵痛中的超大质量黑洞；第二，需要以一个近乎侧身的角度来观察这对黑洞。从这个侧面的有利位置，当一个黑洞从另一个黑洞前面经过时应该能看到一个明亮的闪光，这是因为较远的黑洞的发光环被离观察者更近的黑洞放大了，这种现象被称为引力透镜。

虽然透镜效应众所周知，但研究人员在这里发现的是一个隐藏的信号：跟后面黑洞的“阴影”相对应的亮度的明显下降。这种微妙的暗淡可以持续几小时到几天，具体取决于黑洞的质量有多大以及它们的轨道有多紧密地缠绕在一起。研究人员指出，如果能测量这种暗淡持续的时间那么就可以估计出黑洞事件视界投下的阴影的大小和形状。事件视界是一个没有出口的点，在那里没有东西可以逃脱，甚至连光也不行。

这项研究的论文第一作者、哥伦比亚大学和平地研究所计算天体物理学中心的博士后Jordy Davellar说道：“花了好几年时间和几十位科学家的巨大努力才做出了M87黑洞的高分辨率图像。这种方法只适用于最大和最近的黑洞--位于M87中心的一对黑洞--及可能是我们自己的银河系。”

另外他还补充道：“用我们的技术，你测量的是黑洞在一段时间内的亮度，且可以在不需要在空间上解决每个天体的情况下。应该有可能在许多星系中找到这种信号。”

黑洞的阴影既是它最神秘的特征也是信息量最大的特征。这项研究的论文共同作者、哥伦比亚大学物理学教授Zoltan Haiman说道：“那个黑点告诉我们黑洞的大小、它周围时空的形状及物质如何落入黑洞的地平线附近。”

黑洞的阴影还可能蕴含着引力的真正性质的秘密，引力是我们宇宙的基本力量之一。爱因斯坦的引力理论即广义相对论预测了黑洞的大小。因此，物理学家们寻找它们来测试其他引力理论，从而努力调和关于自然界如何运作的两种相互竞争的想法。爱因斯坦的广义相对论解释了大尺度现象如行星运行和宇宙膨胀，而量子物理学则解释了电子和光子等微小粒子如何能同时占据多种状态。

在发现早期宇宙中一个遥远的星系中心有一对疑似超大质量黑洞后，研究人员对燃烧的超大质量黑洞产生了兴趣。NASA的行星猎手开普勒太空望远镜正在扫描亮度的微小下降。最终，开普勒探测到了Haiman及其同事声称是一对合并的黑洞的耀斑。

他们将这个遥远的星系命名为Spikey，因为它的疑似黑洞在每次自转时会通过透镜效应将对方放大从而引发了亮度的峰值。而为了了解更多关于耀斑的信息，Haiman和他的博士后Davelaar建立了一个模型。

然而当他们模拟的一对黑洞在每次运行到另一个黑洞前面时都会产生一个意想不到的、但却是周期性的亮度下降，这让他们感到困惑。起初，他们认为这是个编码错误。但进一步的检查使他们相信了这个信号。

当他们寻找一个物理机制来解释它时，他们意识到每次亮度的下降都跟最靠近观察者的黑洞从后面的黑洞的阴影前面经过的时间密切相关。

眼下，研究人员正在寻找其他的望远镜数据并试图证实他们在开普勒数据中看到的凹陷，从而验证Spikey事实上是藏有一对合并的黑洞。如果这一切都被证实，那么这项技术将可以应用到其他一些疑似合并的超大质量黑洞对据悉，这些黑洞目前已经被发现并正在等待确认。

随着更多强大的望远镜在未来几年内的上线，其他的机会可能会出现。定于今年开放的维拉-鲁宾天文台将目光投向了超过1亿个超大质量黑洞。当NASA的引力波探测器LISA在2030年发射到太空时，进一步侦察黑洞将成为可能。

“即使这些黑洞双星中只有极小部分具有测量我们所提出的效应的合适条件，我们也可以发现许多这样的黑洞凹陷，”Davelaar说道。