新的研究表明，未來的黑洞圖像可能足夠準確，使科學家能夠確定重力理論是否正確描述了這些物體。阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論？或者說最好的模型是一種替代理論？
由於黑洞成像技術的進步，這種黑洞研究成為可能 事件視界望遠鏡 （EHT），於 2019 年發布了第一張黑洞圖像。該圖像重點關注 超大質量黑洞 在遙遠的 M87 星系的中心，我們的星系實際上有一個名為人馬座 A* (Sgr A*) 的超大質量黑洞，EHT 合作也於 2022 年揭示了該黑洞的圖像。
來自中國上海交通大學的這項研究的主要作者 Akhil Uniyal 告訴 Space.com：“我們開發了一種由模擬支持的實用方法，可以將愛因斯坦廣義相對論預測的黑洞周圍熱氣體圖像與廣義相對論偏差預測的圖像進行比較。” “對許多假設黑洞時空的氣體和磁場進行真實的三維模擬，提供了合成圖像和圖像比較指標，可以量化兩個圖像的差異程度。
“重要的結果是，雖然其他選項在當今的圖像質量上看起來與‘標準’黑洞非常相似。隨著圖像分辨率和圖像保真度的提高，這種差異可以預見地會增加。使下一代地平線成像能夠揭示除了非愛因斯坦黑洞之外的愛因斯坦黑洞。”
愛因斯坦的黑洞公式
1915 年，比 EHT 捕獲黑洞早了 100 多年。愛因斯坦發明了他的“引力幾何理論”，後來被稱為 廣義相對論– 到目前為止，我們對引力的最好解釋是艾薩克·牛頓的解釋。
與牛頓不同，愛因斯坦提出，具有質量的物體會扭曲空間和時間的結構。它們形成一個稱為“時空”的單一實體，也就是我們所經歷的“時空”。 “重力”也是從這種扭曲中產生的。物體的質量越大，時空扭曲就越嚴重。而且物體的引力影響也會更大。
黑洞的想法源於1916年的廣義相對論，當時天體物理學家卡爾·史瓦西正在第一次世界大戰的東線服役。發明了一種求解支持廣義相對論的方程的方法（令愛因斯坦大吃一驚）這些答案揭示了廣義相對論預測物理定律在非常小的時空區域中失效。其質量無限稠密的那個點就是黑洞中心的奇點。該解決方案還表明，奇點周圍應該存在一個稱為史瓦西半徑的限制。這個空間的逃逸速度超過了光速。這稱為黑洞的光捕獲外邊界或事件視界。
然而，科學家們長期以來推測廣義相對論可能不是黑洞的正確公式。這是一個有趣的可能性，因為其他黑洞理論可能不存在構成物理學的令人不安的中心奇點。包括廣義相對論的崩潰。
另一方面，這些替代理論通常要求物質具有非常特殊的性質。甚至其他類型的違反物理定律的行為。
從廣義上講，人們有一種描述旋轉黑洞的標準方式。
相對論被稱為克爾黑洞。然後還有許多受不同理論啟發的替代方案，”尤尼亞爾說。“所有這些替代方案都比愛因斯坦提出的更複雜或更複雜。但在這些替代方案無可辯駁之前，這在理論上仍然是可能的。 ”
測試替代理論的一個主要障礙是事件視界。這可以防止外部觀察者獲取黑洞內部的任何信息。黑洞成像現在成為一個因素，並且這種成像技術的改進即將到來。因此，尤尼亞爾和他的同事開始確定科學家在這些圖像和黑洞陰影中看到的內容，這些內容可能表明與廣義相對論的偏差。
黑洞的陰影是由光子捕獲和強引力產生的黑暗陰影。
“對時空幾何進行編碼的透鏡效應非常接近緻密物體，”尤尼亞爾說。 “微小的公制偏差會轉化為陰影的大小和形狀以及陰影周圍光環形成方式的微小的、系統性的變化。因此，精確測量陰影可以直接診斷潛在的重力是否符合愛因斯坦的預測。”
“這是因為黑洞周圍的時空控制著粒子的軌道和光的路徑。微小的度量變化會改變氣體及其輻射的軌道位置，”尤尼亞爾繼續說道，“這可以改變吸積的動力學。噴射發射區輻射效率遠處觀察者可見的亮度和偏振模式。在嚴重的情況下，不同的內部結構，即沒有真正的事件視界。它也可能導致性質不同的觀測特徵。”
研究人員補充說，他們可以以足夠的細節評估未來的黑洞圖像，以確定這些數據是否與“a”黑洞兼容，就像其他理論描述的“b”黑洞一樣。
“我們的結果表明，無論考慮‘a’黑洞還是‘b’黑洞，差異都會很小，因此需要非常精確的測量。幸運的是，這些觀測將在不久的將來成為可能。”Uniyal 說。 “兩個令人鼓舞和令人驚訝的結果是，隨著圖像分辨率的提高，模型之間的差異系統性地、可預測地增長。這意味著更高保真度的圖像實際上會提高測試的能力。這項研究提供了對模型可以識別的不匹配圖像百分比的具體數值理解。這為未來的觀測站提供了明確的目標。”
這項研究的下一步包括通過在 EHT 的 11 台儀器網絡中添加額外的望遠鏡，以及探索太空中的超長基線乾涉測量儀器，繼續尋求提高黑洞成像的質量。
烏尼亞爾說：“實施不同的天體物理場景可以對克爾黑洞的偏離提供定量限制，或者（如果有的話）借助未來的觀測來檢測替代理論的特徵。”
該團隊的研究成果於週四（10 月 30 日）發表在期刊上 自然天文學
