天文学家在银河系中心超大质量黑洞外发现了一些热点，它们的行动让我们更近距离地看到了那个充满暴力的环境。科学家们第一次在银河系中心的黑洞周围发现了晃动物体。测量结果表明，这种物质可能由等离子体团组成，并且正在物理定律允许的最内层轨道附近旋转。如果真是如此，天文学家们就有机会观察黑洞周围的“游乐场镜像（funhouse-mirrored）时空”。随着时间推移，额外观察将会表明那些已知的物理定律是否真的描述了边缘时空崩溃情况。天文学家已经知道银河系有一个黑洞，重约400万个太阳。从地球上看，这个黑洞是人马座中一个密集、微小的物体，从纽约望去，它在天空中的大小只有洛杉矶草莓种子那么大。当星际气体旋转进入黑洞时，它会发光。在天文图像中，一个微弱的红外光标记出银河系的暗心，天文学家称之为人马座A*(念作“A星”)。
博科园-科学科普：15年来研究人员一直在观察这一点，并想知道其中原因。有时它会在红外光下亮度增强30倍，然后在几分钟内消退。现在德国加兴的马普外层空间物理研究所的一个研究小组不仅以惊人精度测量了这个微尘的亮度，还测量了它的位置。发现当它爆炸时，它也会顺时针沿着一个小圆圈在天空中移动。哈佛-史密森天体物理中心的天文学家谢普·德尔曼(Shep Doeleman)说：清楚地看到了一些变化，但那到底是什么，目前还不完全清楚。团队认为这种摆动可能来自“热点”，磁加热的等离子体以接近光速三分之一的速度在黑洞张开的大洞上方绕轨道旋转。当热点盘旋时，黑洞的巨大引力将时空本身扭曲成一个透镜，就像宇宙中闪烁的灯塔，也像银河探照灯光束。
天文学家在银河系中心超大质量黑洞的最内层轨道外发现了一些事物。图片：Olena Shmahalo/Quanta Magazine
这个想法最早于2005年由A·布罗德里克（A.Broderick）提出，他如今在加拿大圆周理论物理研究所和滑铁卢大学与哈佛大学艾维·劳埃伯（Avi Loeb）共同研究黑洞为什么会闪烁。加州大学洛杉矶分校(University of California, Los Angeles)欧洲研究小组的长期竞争对手、天文学家安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)补充说：似乎得到了一些真正令人兴奋的东西。如果这些旋转耀斑是由布罗德里克和劳埃伯设想的热点引起，那么额外的耀斑将有助于揭示黑洞的“自旋”，即黑洞旋转的测量值。这也为在黑洞口弯曲时空中戳穿爱因斯坦的广义相对论提供了新途径。布罗德里克说：偶尔出现的正确弥补了我在黑板上挠头的次数，这就是为什么成为一名科学家如此有趣的原因。
位于智利塞罗帕拉纳尔的超大望远镜阵列上的4个望远镜发出的光可以组合在一起，实际上就是一个巨大的望远镜。图片：ESO
1、GRAVITY
自上世纪90年代以来，加州大学洛杉矶分校的盖兹（GHEZ）小组和由德国加兴马普外层空间物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)莱因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）领导的欧洲团队，一直在使用更加精确的技术来解决银河系中心周围恒星的轨道问题。今年夏天，根策尔的团队发表了一项关于广义相对论如何影响一颗经过黑洞附近恒星的光的测量数据；盖兹团队的一篇类似论文目前正在审查中，从实验开始在超大质量黑洞附近探索引力如何工作的能力来看，这是一个了不起的时刻。自去年以来，欧洲团队已经拥有了独特的四架巨型望远镜，并在引力的项目中引用了它。
在一个夜晚，欧洲南方天文台(European Southern Observatory)在Cerro Paranal架设了4台8米高的望远镜，俯瞰着智利的阿塔卡马沙漠(Atacama desert)。GRAVITY利用干涉术的技术，将多个望远镜的观测结果被结合在一起，从而产生人造图像，而这些图像只有非常庞大的真实望远镜才能制作出来。要在红外线波长（接近人眼能感知的波长)中做到这一点，需要实时混合光线，以避免丢失关键信息。加兴马普物理学家以及GRAVITY的领导者弗兰克·艾森豪尔（Frank Eisenhauer）说：7月22日当人马座A *爆发，每个望远镜所收集的光线都穿过一个Rube Goldberg式的镜子和光缆，这些镜子和光缆追踪出一条总长度不超过头发宽度1/1000的路径。
在一个3吨重的光学技术冷冻工具箱里，这些光波混合在一起，它们的波峰和波谷合并和抵消，产生不可思议的脆性位置测量。尽管如此，GRAVITY仍然没有足够高的分辨率来拍摄它所看到的三个耀斑。但它对天空中微弱的微点测量，将缩小导致射手座闪烁的原因的选择范围。如果能近距离观看它们，这些耀斑可能是从黑洞向外发射的热等离子体块，它们由磁场聚焦并发射出去的物质喷射而成。又或者，它们可能是在大飞盘中流出的热气团（或者其他圆盘结构，比如旋臂），而后流入黑洞。在所有情况中，光的闪烁和变暗将来自物质本身的炽热冷却。布罗德里克和劳埃伯想法也涉及到被热摧毁的等离子体团。等离子体会在黑洞附近形成，就像太阳耀斑一样。
在太阳表面上，荆棘状的磁场相互缠绕在一起，当磁场突然形成新形状时，就会喷射出炽热的等离子体。类似的事情也可能发生在黑洞周围的气体中，黑洞也拥有强大的纠缠不清的磁场。在这种情况下，亮度调节不是由斑点团本身控制，而是由斑点团的轨道决定。当它在一个巨大的黑洞中快速旋转时，广义相对论预测的扭曲时空会将热点光聚焦到一束光中。当光束扫过地球时，我们可以测量黑洞的闪烁程度。布罗德里克说：黑洞就像灯塔的镜片，当它在我们周围转动时，它会向我们发出闪光。如果喷射物引起了黑洞闪烁，这种运动将是线性的，因为小团物会向外移动并冷却。如果是黑洞周围圆盘上的团块造成的，运动就不会朝着任何特定的一致方向进行。但该研究小组认为，圆周运动支持轨道热点。
波恩马普射电天文学研究所的天体物理学家冈瑟·维泽尔(Gunther Witzel)说：有一个特别的事实让我倾向于相信这个结果。GRAVITY还发现，耀斑在极化过程中移动发出的光，遵循与轨道运动相同的粗略时间尺度，热点发出的光将被极化，当光斑穿过弯曲时空时，它的偏振会在整个轨道上扭曲。对于天体物理学家来说，这种在独特环境下对等离子体的任何一个小动作都很有趣。慕尼黑路德维希马克西米利安大学(Ludwig Maximilian University)的宇宙学家尼科哈马斯(Nico Hamaus)说：我们面对着一个完全陌生的新环境，这就是为什么人们对正在发生的事情有如此模糊的想法。不过，现在理论家们希望这些热点区域能够让人们对爱因斯坦的引力理论产生强烈的疑问。
2、探知视界
假设我们将去黑洞旅行，当你接近黑洞时，一般而言你有一次回头的机会——黑洞边缘视界。但也许你回头的时机将更早——天体物理学家称之为最内部稳定的圆形轨道(ISCO)。在星系中心黑洞周围的热点似乎在这个边界之外轨道上运行。这种轨道的存在是牛顿和爱因斯坦引力理论的一个关键区别。在牛顿引力理论中，只要你不断提高速度，就可以随心所欲地绕着物体旋转。但在爱因斯坦看来，旋转能量需要更多引力。在一定的距离范围内，跑得更快只会加速你的堕落。如果黑洞是东西消失的排水沟的话，这个最内部的圆形轨道就像是水槽。围绕着边缘飞行的光源是大自然母亲给与我们的礼物，黑洞的质量和旋转速度决定了ISCO的位置，以及一个热点在给定半径内轨道得运行时间。
广义相对论认为，除了质量和自旋外，没有其他因素决定物体如何围绕天体物理黑洞运行。盖兹和根策尔已经确定了黑洞的质量。虽然他们还不能计算出它的自旋，但随后的耀斑，尤其是较亮的耀斑，应该有助于确定它的位置。黑洞的自旋会拖曳周围空间，改变附近物体进入轨道所需的时间。当GRAVITY建立了一个耀斑目录，探测它们以不同半径绕黑洞运行的轨道需要多长时间，科学家们将能够推断出黑洞自旋是什么。当然这是假设广义相对论是正确的情况下所做的推断，黑洞周围物体的轨道完全由黑洞的质量和自旋决定。如果存在影响这些轨道的其他因素，这可能暗示着爱因斯坦的理论需要调整。
德国加兴马普外层空间物理研究所(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)天体物理学家莱因哈德·根策尔使用超大望远镜阵列中的四个望远镜来研究银河系中心黑洞的周围区域。图片：Max Plank Institute for Physics
除此之外还有一个更令人兴奋的机会即将到来，来自于视界望远镜或者EHT，正在努力解决银河系中心黑洞周围时空问题。EHT团队目前正在研究他们的数据，希望在2019年的某个时候发布。EHT也通过干涉测量来抑制其不可能的清晰视觉。但是它在无线电波下工作，比红外发射引力线长一千倍。它的组成部分覆盖整个世界，而不仅仅是智利的一个山顶。当地球旋转时，这些天文台扫过的空间，将会收集更多的信息。在耀斑期间GRAVITY以惊人的精度——每30秒测量一次黑洞的位置，而EHT的目标则不同：围绕在黑洞边缘ISCO内部无线电波弯曲的长曝光图像。
EHT的主管、哈佛大学的德尔曼(Doeleman)说：但是GRAVITY发现的像热点一样的摆动提供了一个新机会，如果这些事件经常发生，而且看起来确实如此，那对每个人来说都是好消息。如果振动也发生在无线电波长，EHT可以跟踪它们的微小移动位置。如果他们相信环绕黑洞的东西在过去的观察——比如，在过去和引力看着相同的耀斑在同一个晚上消失，团队可以打破他们的长时间曝光成连续的帧，用数学模型来产生一个实际电影环绕的热点。德尔曼说：我们可以用互补的方式，用不同的仪器测试同样的东西，这才是真正的科学。
博科园-科学科普｜参考期刊文献:《天文与天体物理》
文：Joshua Sokol/Quanta magazine/Quanta Newsletter
论文pdf：aanda.org/articles/aa/pdf/2018/10/aa34294-18.pdf
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