听！黑洞身后传来了“回声”

翻译：雷丰图

校对：牧夫天文校对组

后台：李子琦

责任编辑：王启儒

11月7日，一篇发表在《天体物理学杂志通讯》上的研究介绍了一种名为“探索黑洞光回声”的方法。该方法独立于科学家过去探测黑洞参数（例如黑洞的质量和自旋）的传统模式。并且可以验证光子是否因为 “引力透镜 ”效应而环绕黑洞。

当光经过黑洞附近时，会被黑洞的强大引力场弯曲，这就是引力透镜效应。这种效应使得有些光沿着直线到达地球，而另一些光则在此之前绕黑洞一圈或多圈。这意味着来自同一光源的光可能在不同时间到达，从而产生 “回声”。

由于引力透镜效应，黑洞附近单次闪光发出的光子会沿着蜿蜒的路径行进。有些光子沿着蓝线的轨迹，直接到达观察者。有些光子沿着红色虚线的路径绕黑洞一圈。有些光子仍然沿着绿色虚线绕黑洞两圈。由于不同的路径都有不同的时间延迟，光子会按顺序一个接一个地到达，最初的闪光会看起来像回声。

Credit: George N. Wong

该研究的第一作者、普林斯顿大学研究所自然科学学院兼普林斯顿引力计划副研究员乔治·黄说： “黑洞光回声理论已经存在多年，但目前尚未测量出来。这并不意味着我们的方法和方向出了问题，相反发现黑洞光回声有可能彻底改变我们对黑洞物理学的理解。通过计算机科学，我们可以将微弱的回声信号从干涉望远镜捕捉到的较强直射光中分离出来。"

为了测试他们的技术，团队与普林斯顿大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室、普林斯顿大学前共同合作，进行了高分辨率模拟，拍摄了数万张围绕超大质量黑洞（类似于距离地球约 5500 万光年的 M87 银河系（M87*）中心的黑洞）移动的光线 “快照”。利用这些模拟，团队证明他们的方法可以直接推断出模拟数据中的声波延迟周期。他们相信，除了M87*之外，他们的技术还将适用于其他黑洞。

团队成员梅黛罗解释说：“我们的技术不仅能确认何时测量到绕黑洞运行的光线，还是测量黑洞的基本属性的有力工具。” “黑洞在星系的发展过程中扮演着重要角色，影响着恒星形成的方式、时间和位置，并帮助确定星系本身的结构以及演变。了解黑洞质量和自旋的分布，以及这种分布如何随着时间的推移而发生变化，可以大大增强我们对宇宙的了解。"

观察到的发射的位置相对于 n = 0 和 n = 1 之间的时间延迟，该测地线将该位置与观察者连接起来。

Credit: The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad8650

测量黑洞的质量或自旋非常棘手。黄指出，吸积盘的存在会 “混淆 ”测量结果。然而，黑洞光声波提供了对质量和自旋的独立测量，而且通过多次测量，我们可以得出这些参数的近似值。

团队的研究结果表明，有可能只需要部署一对望远镜——一个在地球，一个在太空——共同进行所谓的 “超长基线干涉测量 ”来探测黑洞光回声。希望用不了多久，人类能收到来自宇宙深处、源于黑洞的“回声”，就像首张黑洞照片那样震撼。