首次探测到从黑洞后面射出的扭曲光

黑洞周围的磁力和引力环境如此极端，以至于我们应该看到光线在它周围弯曲并从黑洞后面反射回观察者——至少，根据爱因斯坦广义相对论的理论预测应该是这样的。

现在，天文学家第一次直接探测到这种反射光，其形式为来自 8 亿光年外超大质量黑洞的 X 射线回波，位于一个名为 I Zwicky 1 (I Zw 1*) 的星系中。这最终证实了爱因斯坦的预测，并进一步阐明了宇宙中最暗的天体黑洞存在。

“进入那个黑洞的任何光都不会出来，所以我们应该看不到黑洞后面的任何东西。”斯坦福大学的天体物理学家丹·威尔金斯 (Dan Wilkins) 说，“我们能看到 [X 射线回波] 的原因是因为那个黑洞正在扭曲空间、弯曲光线并扭曲自身周围的磁场。”

紧邻黑洞的空间有几个组成部分。这个几个组成部分中，最著名是“不归点”——事件视界，在那里即使光速也不足以达到逃逸速度。

像 I Zw 1* 这样的活跃黑洞也有一个吸积盘。这是一个巨大的扁平盘的灰尘和气体盘旋到物体，像水在排水沟中盘旋。

由于摩擦和磁场的影响，这个磁盘变得非常热——热到电子从原子中剥离，形成磁化等离子体。

在活动黑洞的事件视界外，吸积盘的内边缘内，你会发现日冕。这是一个被认为是由黑洞磁场驱动的灼热电子区域。

磁场变得如此扭曲，以至于它会断裂并重新连接——这一过程在太阳上会引发强大的喷发。在黑洞中，日冕就像一个同步加速器，将电子加速到如此高的能量，以至于它们在 X 射线波长中发出明亮的光芒。

威尔金斯解释说：“这个磁场被束缚，然后靠近黑洞，加热它周围的一切，并产生这些高能电子，然后继续产生 X 射线。”

一些 X 射线光子照射吸积盘并通过光电吸收和荧光等过程进行再处理，然后重新发射——这就是所谓的混响回波，在 X 射线中被称为“反射”光谱。这种反射发射可用于绘制最接近黑洞事件视界的区域。

当威尔金斯和他的团队开始对 I Zw 1* 进行探测时，他们希望研究神秘的日冕。他们于2020年1月使用两个 X 射线天文台 NUStar 和 XMM-Newton 对该星系进行了观测。

他们在数据中看到了预期的 X 射线耀斑，但随后他们发现了一些他们没有预料到的东西——光谱的不同部分中更小的、后来的 X 射线闪光。

威尔金斯意识到，这些反射与来自黑洞后面的反射是一致的，它们的路径被其难以置信的强大引力场弯曲，并且它们的光被放大了。

“几年来，我一直在对这些回波如何出现在我们面前进行理论预测，”威尔金斯解释说，“我已经在我一直在发展的理论中看到了它们，所以一旦我在望远镜观测中看到它们，我就能弄清楚它们之间的联系。”

再次确认广义相对论的另一个关键预测令人欣慰，但由于其他几个原因，这一发现也令人兴奋。

一方面，发现关于黑洞的任何新东西真的很棒。黑洞是如此棘手的宇宙野兽——隐形，而且它们周围的空间如此极端——以至于观察性研究非常具有挑战性。

这也是衡量我们已经走了多远，我们可以使用我们的仪器和我们的分析技术进行精细观察。研究人员说，黑洞科学只会变得越来越成系统，新一代望远镜将会为我们揭开黑洞更多的奥秘。

威尔金斯说：“有了这些新一代望远镜，我们目前开始从数据中获得的图像将变得更加清晰。”