发现了锋利的黑洞图像的路径–醒目的且复杂的子结构

黑洞的图像在由黑洞投射的“阴影”周围具有明亮的发射环。该环由一堆越来越尖的子环组成，这些子环与光子到达观察者之前围绕黑洞所占据的轨道数相对应。

去年四月，Event Horizo​​n望远镜（EHT）揭开了黑洞的第一张影像，引起了国际关注。今天，一组研究人员已经发布了新的计算方法，这些计算方法可以预测由于极端引力光弯曲而导致的黑洞图像中惊人而复杂的子结构。

“黑洞的图像实际上包含一系列嵌套的环，”天体物理学中心/哈佛大学和史密森尼中心（CfA）的迈克尔·约翰逊（Michael Johnson）解释说。“每个连续的环都具有相同的直径，但是变得越来越尖锐，因为它的光在到达观察者之前绕黑洞绕了很多圈。使用当前的EHT图像，我们仅瞥见了任何黑洞图像中应该出现的全部复杂性。”

由于黑洞会捕获穿过其事件视界的所有光子，因此它们会在来自周围的炽热气体中的明亮周围发射物上蒙上阴影。一个“光子环”围绕着这个阴影，该阴影是由黑洞附近的强重力所集中的光所产生的。该光子环带有黑洞的指纹-它的大小和形状编码黑洞的质量和旋转或“旋转”。借助EHT图像，黑洞研究人员有了研究这些非凡物体的新工具。

黑洞会在明亮的周围物质的图像上蒙上阴影，因为它们强大的引力场会弯曲并捕获光线。阴影以明亮的光环为边界，该光环与逃逸之前在黑洞附近通过的光子相对应。该环实际上是一堆越来越尖锐的子环，第n个子环对应于在到达观察者之前绕黑洞绕过n / 2次的光子。此动画显示了如何从这些子环以及创建该图像的光子轨迹形成黑洞图像。

“这是思考黑洞物理学的一个非常激动人心的时刻，”高级研究所自然科学学院成员丹尼尔·卡佩克（Daniel Kapec）说。“爱因斯坦的广义相对论对最终将要达到的观测类型做出了许多惊人的预测，我认为我们期待着未来几年的许多进步。作为一名理论家，我发现理论与实验之间的快速融合特别有意义，我希望随着这些实验变得更加敏感，我们可以继续隔离和观察更普遍的广义相对论预测。”

研究团队包括观测天文学家，理论物理学家和天体物理学家。

黑洞光子环的通用干涉签名。

“来自不同领域的专家汇聚一堂，使我们能够将对光子环的理论理解与观察所能实现的真正联系起来，”伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的物理研究生George Wong说。Wong开发了软件，以比以前计算的分辨率更高的分辨率生成模拟黑洞图像，并将其分解为预测的子图像系列。“最初的经典铅笔计算开始促使我们将模拟推向新的极限。”

研究人员还发现，黑洞的图像子结构为观察黑洞提供了新的可能性。约翰逊说：“真正令我们感到惊讶的是，虽然嵌套的子环几乎看不到图像，甚至是完美的图像，但对于被称为干涉仪的望远镜阵列来说，它们却是强而清晰的信号。”“虽然捕获黑洞图像通常需要许多分布式望远镜，但子环非常适合仅使用两个相距很远的望远镜进行研究。在EHT上增加一台太空望远镜就足够了。”

哈佛研究员协会的亚历克斯·卢普萨斯卡（Alex Lupsasca）说：“黑洞物理学一直是一门美丽的学科，具有深厚的理论意义，但现在它也已成为一门实验科学。“作为一名理论家，我很高兴能够最终收集我们经过很长时间抽象思考的这些对象的真实数据。”

结果发表在《科学进展》上，可在此处（PDF）获得。

参考：“黑洞光子环的普遍干涉特征”，作者：迈克尔·D·约翰逊，亚历山德鲁·卢普萨斯卡，安德鲁·斯特罗明格，乔治·N·王，沙哈尔·哈达尔，丹尼尔·卡佩克，拉梅什·纳拉扬，安德鲁·查尔，查尔斯·加米，彼得·加里森，丹尼尔·CM Palumbo，Sheperd S.Doeleman，Lindy Blackburn，Maciek Wielgus，Dominic W.Pesce，Joseph R.Farah和James M.Moran，2020年3月18日，科学进展。
10.1126 / sciadv.aaz1310

这项研究得到了美国国家科学基金会，美国能源部，戈登和贝蒂摩尔基金会，约翰·邓普顿基金会，雅各布·戈德菲尔德基金会和NASA的资助。