随我们的黑洞图像变得越来越详细，我们可能发现爱因斯坦关于它们不是完全对的

By Robert Lea published 13 hours ago

Black Holes

阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论广义相对论可能对描述黑洞不是最佳配方。

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一幅显示那些被广义相对论和非广义相对论描述的的之间一个微妙变化的未来黑洞图像的的描画。 (Image credit: Luciano Rezzolla/Goethe University)

新的研究突出未来黑洞的图像可能足够精确到允许科学家来确定是否这些天体被阿尔伯特·爱因斯坦的引力理论、广义相对论准确描述或者是否它们是被替代理论建模的最好的。

由于事件地平线望远镜（EHT）在黑洞成像中的突破这种黑洞研究是可能的，该望远镜在2019年首次揭示了一个黑洞的图像。这张图像聚焦在遥远星系M87中心的超大质量黑洞上。事实上，我们的星系有它自己的中心超大质量黑洞叫人马座A*（Sgr A*），2022年，事件地平线望远镜合作也揭示了这个黑洞的图像。

然而，来认识到根据定义黑洞是空间的引力的影响变得如此之大以至于甚至光没有必要的来逃逸的速度的区域。因此事件地平线望远镜捕获的图像实际上并没有显示黑洞本身。相反，它们追踪围绕这些空间涡旋的炽热物质。我们正在M87*和Sgr A*的图像中有效的看到的是这些黑洞的阴影。

最新研究团队提出这些阴影的图像有朝一日可能是如此详细以至于它们可能潜在的显示与广义相对论的微小偏差。这将允许科学家来调查来实际描述黑洞的“配方”是什么。

中国上海交通大学的研究主要作者尤尼亚尔（Akhil Uniyal）告诉太空网站：“我们开发了一种实用的、仿真支持的方法来将被爱因斯坦广义相对论预测的黑洞周围热气的图像与来自广义相对论偏差预测的图像比较。对许多假设的黑洞空时运行真实的气体和磁场三维仿真产生了合成图像并定义了量化两幅图像多不同的图像比较指标”。

 “关键的结果是虽然许多替代方案观察对今天的图像质量上 ‘标准’黑洞非常相似，但随成像分辨率和保真度的提高差异可预测的在增长，建立下一代地平线尺度成像可以将爱因斯坦的黑洞与非爱因斯坦黑洞区分开”。

爱因斯坦的黑洞配方

1915年，在事件地平线望远镜捕获黑洞图像的100多年前，爱因斯坦制定了他的“引力的几何理论”，最著名的是广义相对论。到目前这个点为止，我们有的引力的最好描述是艾萨克·牛顿的。

与牛顿不同，爱因斯坦提出有质量的物体翘曲空间和时间的织造，统一为一个叫“空时”的单一实体。我们体验的“引力”为从这种翘曲浮现的。一个物体的质量越大，它造成的空时翘曲就越极端，它的引力影响就越大。

黑洞的概念从1916年广义相对论浮现，当时在第一次世界大战东线服役的天体物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）设计了一个对支撑广义相对论的方程的解（令爱因斯坦大为惊讶）。这些解揭示了广义相对论预测在质量变得无限密集的无限小的空时区域物理学的法则失效。这一点就是一个黑洞中心的奇点。该解还揭示了围绕奇点应存在一个叫史瓦西半径的极限，在其上这个空间区域的逃逸速度将超过光速。这将来到被称为一个黑洞的光捕获外边界或事件地平线。

然而，科学家们长期以来一直推测广义相对论对黑洞可能不是正确的配方。这是一个有吸引力的可能性，因为其他黑洞理论可能不包含令人不安的在它包括广义相对论在内的物理学坍塌的中心奇点。

另一方面，这些替代理论往往要求有非常特殊性质的物质，甚至那种违反物理定律的。

   “广义上讲，有一般描述的标准旋转黑洞“。

尤尼亚尔说：“相对论叫克尔黑洞，然后有各种被不同理论动机的替代方案。所有这些替代方案都比被爱因斯坦提出的是更复杂或更卷的，但直到它们被证伪为止仍然理论上是可行的。”。"

来测试替代理论的一个主要障碍是事件地平线，它阻止来自一个黑洞内部的任何信息到达一个外部观察者。随着黑洞成像现在成为一个因素，并且随着这种成像在地平线上的改进，尤尼亚尔和同事们设定关于科学家在这些图像和黑洞阴影中可以看到什么，可能表明一个与广义相对论的偏差。

黑洞阴影是被光子捕获和强引力形成的黑暗轮廓

尤尼亚尔说：“编码非常靠近这个紧凑天体空时几何的透镜，小度量偏差转化为阴影尺寸和形状以及光环绕它形成的小的系统变化，因此精确测量阴影提供一个是否支撑的引力匹配爱因斯坦的预测的直接诊断”。

尤尼亚尔继续说道：“因为黑洞周围的空时控制着粒子轨道和光路，小的度量变化改变气体轨道的位置及它如何辐射，这能会改变吸积动力学、喷气发射区域、辐射效率以及被远处观察者看到的亮度和偏振模式。在极端案例中，不同的内部结构如缺乏一个真正的事件地平线也可能导致定性不同的观测签名” 。

研究人员补充说，可以评估一个足够详细的黑洞的未来图像来确定是否这些数据与被广义相对论所描述的黑洞“a”或被另一种理论所描述的“b”是更兼容的。

尤尼亚尔说：“我们的结果表明无论人们考虑的一个‘a’还是‘b’黑洞，差异将是小的，因此需要非常精确的测量。幸运的是这些观测将在不久的将来是可能的。两个令人鼓舞和有些惊讶的结果是随着成像分辨率的提高模型之间的差异系统的、可预测地增长，这意味着更高保真的图像将真的增加测试能力，这项研究对模型变得可区分的图像产生了具体的百分比级数值理解，为未来的天文台提供一个清楚的目标” 。

这项研究的下一步包括继续寻求通过在构成事件地平线望远镜的11台仪器网络中增加额外的望远镜来提高黑洞成像的质量，以及探索潜在的天基甚长基线干涉测量仪器。

尤尼亚尔说：“追求不同的天体物理场景可能对来自克尔黑洞的偏差放上定量约束，或者如果存在用未来观测的帮助检测替代理论的签名”。

该团队的研究于周四（10月30日）发表在《》上 Nature Astronomy.