M87黑洞和1919年的日食揭示了爱因斯坦

2019-07-10 15:58 admin

一个世纪以前,英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿和他的同事拍摄了日食,改变了人类对天空的看法。

这些照片拍摄于1919年5月29日,来自巴西索布拉尔非洲西海岸的普林西比岛首次肯定了阿尔伯特爱因斯坦广义相对论的关键预测:质量弯曲时空。探险队标志着物理学的革命,并使爱因斯坦成为名人。

今天,物理学家再次参与其中 - 规模更大。 4月,事件地平线望远镜(EHT)合作发布了第一张黑洞边缘图片( SN:4/27/19,第6页)。该图像再次表明,大型物体,如黑洞或太阳,可以改变光的传播方式正如爱因斯坦预测的那样。

“EHT做了完全相同的事情,但是在最极端的例子中可以想象,”图森的亚利桑那大学的物理学家和EHT团队成员Lia Medeiros说。 “这两个实验几乎完全相隔100年,这几乎是诗意的。”

到目前为止,新的黑洞数据已经确认广义相对论。但是引力动物的未来EHT图像 - 特别是我们银河系中心的那些 - 可能会在爱因斯坦的着名理论中挖空洞。

“任何时候我们都有一个如此引人注目的理论,你只需要哈佛 - 史密森尼天体物理中心的天体物理学家和EHT团队成员迈克尔约翰逊说:“将它推向极端。”而且双语k洞是“极端的实验室 - 这是我们可以指向新物理学的地方,并指出我们现有理论的裂缝,”他说。

一百年前,科学家没有一个黑洞来测试广义相对论的裂缝 - 黑洞只是当时的想象力 - 但他们确实有1919年日全食( SN Online:4/12/19)。当时,主要的引力理论是牛顿,它说重力是一种力。力可以加速具有质量的物体,但由于光没有质量,重力不应该影响它,思维就是这样。但是几年前,在1915年,爱因斯坦提出了他的广义相对论,它说重力来自物质和能量翘曲时空,产生改变物体运动的曲线,甚至改变光线本身的路径。

在爱丁顿及其同事的日食照片中,在日食期间,星星出现在天空的不同位置,通过太阳到达地球观察者,而不是普通的夜晚( SN Online:8/15/17 )。太阳的引力改变了星光所采取的路径。爱因斯坦是对的。

现在,重力可以使光线弯曲的想法被很好地理解,物理学家用它来探测时空本身的特性。例如,在EHT开始在2017年获取数据之前,科学家们已经使用爱因斯坦的方程式来准确了解黑洞的外观,如果理论没有破坏在极端环境中。

黑洞将时空曲线非常曲折,以至于光被困在它们内部。因此,物理学家无法直接看到黑洞发出的光。但他们可以在周围的明亮材料上看到黑洞的阴影。在广义相对论下,阴影应该具有特定的大小和形状:一个宽度与其质量直接相关的圆。 “这一切都属于爱因斯坦的方程式,”约翰逊说。 “如果你有不同的引力理论,你可以预测天空上的不同环。”

EHT的第一张照片拍摄了M87星系中的黑洞,距地球约5500万光年,并且看了像研究人员认为的那样。 “就我们目前所知,GR再次以苍白的颜色传递,”约翰逊说。

全球望远镜

为了拍摄M87黑洞的图像,天文学家将世界各地的天文台连接起来制作事件地平线望远镜,它实际上是整个地球的大小。

当EHT团队拍摄银河系中心的黑洞(称为射手座A *)时,该理论的下一个真实测试将会出现。 “Sgr A *在很多方面对相对论进行更强有力的测试的原因是我们非常准确地知道那个环应该是什么样的,如果[广义相对论]确实存在,”约翰逊说。

Sgr A *离地球大约26,000光年足够近,天文学家可以看到黑洞周围的个别恒星。这为研究人员提供了非常准确的估计质量,以及它在发光环内的阴影大小。

M87离物理学家来说太远,无法在拍摄照片之前精确测量它的黑洞质量。以前的质量估计值相差两倍,只有EHT测量结果告诉科学家质量是正确的( SN Online:4/22/19 )。但是,大规模的不确定性意味着对戒指尺寸的预测要弱得多。

“M87有很多摆动空间”,约翰逊说。 “对于Sgr A *来说,几乎没有摆动的空间。”无论是Sgr A *的阴影是一定的宽度,还是广义相对论被破坏了。

不幸的是,Sgr A *是一个更加困难的黑洞。照片比M87。它大约是M87质量的千分之一。透视,大约4毫太阳的质量与M87的65亿次相比。这意味着材料在Sgr A *周围更快地旋转,使得黑洞看起来闪烁并且在一夜观察的过程中变化。

但是Medeiros和EHT团队的其他人正在研究计算机解决这种可变性的算法。要找出Sgr A *关于广义相对论的话,应该比另一个世纪少得多。