首次发现“宇宙瀑布”让一切坠入黑洞

研究人员首次发现了黑洞周围一个名为“暴跌区”的奇怪区域。爱因斯坦的广义相对论预言了这个区域，在这里物质不再围绕黑洞旋转，而是直接落入其中，但以前从未观测到过。相关论文近日发表于英国《皇家天文学会月报》。

研究“暴跌区”可以为人们提供黑洞是如何形成和演化的知识，也可以揭示关于时空基本性质的新信息。

物质坠入黑洞。图片来源：Buradaki / Alamy Stock Photo

当任何物质太靠近黑洞时，就会被撕裂，并在黑洞周围形成一个名为吸积盘的轨道环。广义相对论预测，吸积盘应该有一个内部边界，没有任何物质可以越过这个边界绕黑洞运行。相反，它应该直接坠入黑洞，在下落时迅速加速到接近光速。

“这就像一条河流变成了瀑布，到目前为止，我们只看到了河流。”英国牛津大学的Andrew Mummery说，“如果爱因斯坦是错的，那么它会一直稳定下去——只有一条河。现在我们第一次看到了瀑布，这表明爱因斯坦是正确的。

Mummery和同事发现了MAXI J1820+070双星系统中黑洞周围“暴跌区”的证据，该系统距离地球约1万光年。他们使用美国太空X射线望远镜——核光谱望远镜阵列（NuSTAR）的数据，来建立黑洞吸积盘的光模型。

研究人员发现，只有既包括吸积盘发出的光，还包括“暴跌区”物质发出的光时，这些模型才符合数据。

没有参与这项工作的美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的Greg Salvesen说：“以前我们认为，任何越过这个边界的物质在坠入黑洞之前，都没有时间真正辐射出来”，所以研究人员什么也看不到。“但事实证明，这个急剧下落的区域会带来意想不到的额外光。”

这种额外光可以解决X射线天文学中一个长期存在的问题，即黑洞的自转速度似乎比理论预测的快。黑洞自转与其周围区域的亮度是相互关联的，因此增加一些额外光可以使自转与预测一致。

Salvesen说：“黑洞自转告诉人们各种各样的事情，所以如果能够更好地测量它，就可以回答天体物理学中的大量问题。”

这其中包括关于引力和时空本质的问题，因为“暴跌区”是人们可以观察到的太空中最极端的区域之一。它刚好在边界外，这里的引力非常强，任何物质甚至光都无法逃脱。

“从技术上讲，如果物质拥有一枚火箭，就可以逃离这个急剧下落的‘暴跌区’，但它注定失败，因为轨道已经变得不稳定，并迅速加速到接近光速。”Mummery说，“这些物质回来的机会与瀑布边沿的水差不多。”

现在，研究人员正试图对这些奇怪的“宇宙瀑布”进行更多观察，以阐明这一特别区域的情况。

相关论文信息：https://doi.org/10.1093/nras/stae1160