黑洞周围有无数的光环，我们怎么观测？

艺术家对光子围绕黑洞旋转的印象。(Nicolle R. Fuller/NSF)

一年前，历史被创造了。经过全球科学家长期艰苦的工作，我们获得了黑洞视界的第一张直接图像，这是一个名为M87* 5500万光年远的超大质量怪物。那张辉煌的、金色的、模糊的图像证实了我们关于黑洞的许多想法。

(Jean-Pierre Luminet)

黑洞周围环境的模型表明，光子环应该创造出一个由无限光环组成的复杂的子结构——有点像你在无限镜中看到的效果。

“黑洞的图像实际上包含一系列嵌套的环，”哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家迈克尔·约翰逊解释说。

“每一个连续的环都有大约相同的直径，但会变得越来越尖锐，因为它的光在到达观测者之前会绕黑洞旋转更多次。”在目前的EHT图像中，我们只是瞥见了任何黑洞图像中应该出现的全部复杂性。”

(Event Horizon Telescope)

在这张具有历史意义的M87*的第一张图像中(上图)，我们可以看到吸积盘——也就是发光的橘金部分。中间的黑色部分是黑洞的阴影。我们实际上看不到光子球，因为这个环非常精细，而且分辨率不够高，无法分辨出来，但它应该位于黑洞阴影的边缘。

如果我们能看到它，这个环会告诉我们关于黑洞的非常重要的事情。环的大小可以告诉我们黑洞的质量、大小和旋转。我们可以从吸积盘确定这些，但是光子环可以让我们进一步限制数据，以便进行更精确的测量。

研究人员在他们的论文中写道:“从宇宙的任何地方收集到的光子壳层，每一个子网都是由向观察者屏幕倾斜的光子组成的。”

因此，在一个没有吸收的理想环境中，每个子带都包含一个独立的、指数衰减的整个宇宙的图像，随后的每个子带都在更早的时间捕捉到可见的宇宙。

“总的来说，这组子结构就像是电影的框架，捕捉了从黑洞中看到的可见宇宙的历史。”

因此，约翰逊和他的团队利用模型来确定在未来观测中探测光子环的可行性。他们发现这是可以做到的，尽管并不容易。

成像M87*是一个天才和合作的壮举。世界各地的望远镜一起工作，创建了一个非常长的基线干涉仪，称为事件视界望远镜，在那里，阵列中的望远镜之间的精确距离和时间差可以被计算出来，从而将它们的观测结果拼接在一起。用非常非常简单的术语来说，它就像一个地球大小的望远镜。

约翰逊说:“真正让我们感到惊讶的是，虽然嵌套的子阵在图像上用肉眼几乎是察觉不到的，即使是完美的图像，但它们对称为干涉仪的望远镜阵列来说是强而清晰的信号。”

“虽然捕捉黑洞图像通常需要许多分布式望远镜，但子带非常适合只使用两个相距很远的望远镜进行研究。在事件视界望远镜上增加一架太空望远镜就足够了。”

将望远镜送入近地轨道是一个很好的开始，但只能让我们清楚地看到其中的一个环。

要探测到第二个子带，你需要比近地轨道更远一点，在月球上放置一个望远镜。第三个，甚至更远的地方，在月球之外太阳-地球引力相互作用形成的一个稳定位置，这个位置被称为拉格朗日点，在上图中为L2。

这些都是可行的。美国国家航空和宇宙航行局正计划一次载人登月任务。我们已经有一些卫星在L2中。很明显，这不会发生在明天，但这是一个令人兴奋的目标，为下一代的视界望远镜而努力。

这项研究发表在《科学进展》杂志上。

但是当图像出现时，科学并没有停止。现在，一组科学家根据我们从M87中学到的知识，结合广义相对论的预测，进行了计算，以进一步预测有一天我们将如何更详细地看到这些物体。

黑洞具有令人难以置信的引力强度。它们的质量如此之大，以致于光的速度也太慢，以至于无法在它们的引力作用下达到逃逸速度，而且它们还会使光在它们周围通过的路径发生弯曲，超出了事件视界。

如果经过的光子离黑洞太近，它就会被困在黑洞周围的轨道上。这就产生了所谓的“光子环”或“光子球”，一个完美的光环将环绕黑洞，在吸积盘的内边缘，但在视界之外。

这也被称为最内层的稳定轨道，你可以在下图中看到它，它是由天体物理学家Jean-Pierre Luminet在1978年创造的。

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