星际穿越中的黑洞光环来了,探秘光子层,科学家获奖
来源:天文在线
发布时间:2024-04-19
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新地平线物理学奖授予追寻神秘黑洞光子层的科学家

亚历山德鲁·卢浦萨斯卡与迈克尔·约翰逊一道赢得新地平线物理学奖项,以表彰他们在光子层方面的研究,光子层是黑洞周围的奇异光环,可能揭示量子引力相关理论。

这是一幅关于超大黑洞及其吸积盘的插画,在距离宇宙深渊最近的轨道上环绕着罕见的,无法探测的光线——光子层。(图源:丹尼尔·罗卡 绘/盖蒂图像)

因为描述了神秘黑洞光子层的结构及探测方法,两位科学家获得了10万美元的奖金。光子层谜一般的结构在黑洞边缘成形,可能揭示了宇宙中最大天体遵循的物理学规律。

范德堡大学的亚历山德鲁·卢浦萨斯卡与哈佛大学的迈克尔·约翰逊共同赢得了新地平线物理学奖,“他们阐明了黑洞光子环的内部结构和普遍特征,并提出利用下一代干涉测量实验进行探测。”

新地平线奖由突破奖基金会设立,每年颁发给处于科研生涯早期的研究者,奖金由科技界亿万富翁谢尔盖·布林,普莉希拉·陈和马克·扎克伯格,尤里和朱莉娅·米尔纳,还有安妮·沃西基捐赠。今年的二等奖颁给了麻省理工学院的米哈伊尔·伊万诺夫,哥伦比亚大学和西蒙斯基金会的奥利弗·菲尔科克斯,以及佛罗伦萨大学的马尔科·西蒙诺维奇,以表彰他们在宇宙对撞机方面的工作。

当光子束进入黑洞,大部分光线被弯曲或者(如果光子穿过了黑洞视界)被黑色深渊永久吞没。然而极少光粒子能逃过一劫——这些光子以紧密轨迹越过黑洞这一宇宙怪兽张开的巨口,如果黑洞正在旋转,它们会借用黑洞的旋转能量奇迹般跳跃。

通过首次检测到这些光子,科学家得以以前所未有的视角来观察宇宙中最大的天体,并探究在黑洞无限的引力中已知的物理学规律如何被打破。

“引力是大秘密。迄今为止,我们还不知道如何统一爱因斯坦的广义相对论和量子力学。广义相对论认为时空弯曲揭示了引力的相对论本质,量子力学则是微观世界的法则。”亚历山德鲁·卢浦萨斯卡对科学在线说道,他使用相对论推导了光子层的形状和描述参数,

他说:“问题是引力很弱——引力是所有力当中最弱的,所以为了更好理解量子引力,我们必须找到引力最强的地方。而黑洞正是如此。”

寻找宇宙洗衣店

超级黑洞巨大无比,几乎等于太阳系的宽度,因此光子以光速绕行一周需要6天左右。6天之后,光子要么u型转弯继续绕行,要么飞进或者飞离黑洞。滑进黑洞引力的光子在黑洞上方聚成一道薄薄的光环:光子层。

随着后进入的光线在先进入的光内部近乎无限嵌套结环,光子层会分解成更小的环状。剥开这些层可得到一系列揭示宇宙周围不同角度的快照,从近些年,回溯到几十亿年前被黑洞捕获的光线发出的余晖。

就像自助洗衣机一样,黑洞收集每个角度的光线,让光线翻滚,向每个方向发射。在任意给定时间,只有一部分光子能适应,“总会有很多光子吸进去,总有一些逃出来。”

在预测光子层的可能形状之后,两位科学家及团队开始探索测量光环的方法。约翰逊认为事件视界望远镜(事件视界望远镜,是约翰逊和其他研究者拍摄第一张黑洞图片的设备)很适合完成这项任务,只要能把光子层与其他从黑洞中发出的模糊光带区分开。

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为了测量光环,约翰逊认为,研究者只需要把事件视界望远镜组成阵列形式,再需要一台望远镜就能辨别光子层的第一条光带。

“神奇之处在于——这一点不像天文学上已经做过的研究——只需要加上一个轨道就足以研究光子环。”约翰逊对科学在线说道,“这太令人震惊了。”

卢浦萨斯卡和约翰逊正携手推动航天局再发射一颗携带望远镜的卫星。如果成功发射,他们10-15年内就能获取光子层最外层光带的第一张影像。这样一来,他们不仅能评价黑洞事件视界的大小和黑洞自转,一旦他们能测量第二光带,甚至可以探索物理学中一些极端理论。

“这个光子环,可以是从可观测到的宇宙任意近的边缘发出的,”卢浦萨斯卡说,“如果这都不令人激动,我想不出还有什么能让人激动得睡不着了。”

BY:Ben Turner

FY:小白

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