首次發現“宇宙瀑布”讓一切墜入黑洞

研究人員首次發現了黑洞周圍一個名為“暴跌區”的奇怪區域。愛因斯坦的廣義相對論預言了這個區域，在這里物質不再圍繞黑洞旋轉，而是直接落入其中，但以前從未觀測到過。相關論文近日發表于英國《皇家天文學會月報》。

研究“暴跌區”可以為人們提供黑洞是如何形成和演化的知識，也可以揭示關于時空基本性質的新信息。

物質墜入黑洞。圖片來源：Buradaki / Alamy Stock Photo

當任何物質太靠近黑洞時，就會被撕裂，并在黑洞周圍形成一個名為吸積盤的軌道環。廣義相對論預測，吸積盤應該有一個內部邊界，沒有任何物質可以越過這個邊界繞黑洞運行。相反，它應該直接墜入黑洞，在下落時迅速加速到接近光速。

“這就像一條河流變成了瀑布，到目前為止，我們只看到了河流。”英國牛津大學的Andrew Mummery說，“如果愛因斯坦是錯的，那么它會一直穩定下去——只有一條河。現在我們第一次看到了瀑布，這表明愛因斯坦是正確的。

Mummery和同事發現了MAXI J1820+070雙星系統中黑洞周圍“暴跌區”的證據，該系統距離地球約1萬光年。他們使用美國太空X射線望遠鏡——核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）的數據，來建立黑洞吸積盤的光模型。

研究人員發現，只有既包括吸積盤發出的光，還包括“暴跌區”物質發出的光時，這些模型才符合數據。

沒有參與這項工作的美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的Greg Salvesen說：“以前我們認為，任何越過這個邊界的物質在墜入黑洞之前，都沒有時間真正輻射出來”，所以研究人員什么也看不到。“但事實證明，這個急劇下落的區域會帶來意想不到的額外光。”

這種額外光可以解決X射線天文學中一個長期存在的問題，即黑洞的自轉速度似乎比理論預測的快。黑洞自轉與其周圍區域的亮度是相互關聯的，因此增加一些額外光可以使自轉與預測一致。

Salvesen說：“黑洞自轉告訴人們各種各樣的事情，所以如果能夠更好地測量它，就可以回答天體物理學中的大量問題。”

這其中包括關于引力和時空本質的問題，因為“暴跌區”是人們可以觀察到的太空中最極端的區域之一。它剛好在邊界外，這里的引力非常強，任何物質甚至光都無法逃脫。

“從技術上講，如果物質擁有一枚火箭，就可以逃離這個急劇下落的‘暴跌區’，但它注定失敗，因為軌道已經變得不穩定，并迅速加速到接近光速。”Mummery說，“這些物質回來的機會與瀑布邊沿的水差不多。”

現在，研究人員正試圖對這些奇怪的“宇宙瀑布”進行更多觀察，以闡明這一特別區域的情況。

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nras/stae1160