【菜科解读】

这个3D模型可以帮助科学家更清晰地了解超大质量黑洞周围形成的动荡环境。

围绕Sgr A*旋转的物质存在于一个被称为吸积盘的扁平结构中，该结构可以周期性地耀斑。

这些耀斑发生在一系列波长的光中，从高能X射线到低能红外光和无线电波。

超级计算机模拟表明，阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）在2017年4月11日看到的耀斑源于Sgr a*吸积盘中的两个致密物质亮点，这两个亮点都面向地球。

这些亮点围绕着质量约为太阳420万倍的超大质量黑洞旋转，而黑洞的距离约为地球和太阳距离的一半。

大约4700万英里（7500万公里）。

根据观测数据以3D方式重建这些耀斑绝非易事。

为了解决这个问题，由加州理工学院科学家Aviad Levis领导的团队提出了一种名为轨道偏振断层扫描的新成像技术。

这种方法与全球医院进行的医学计算机断层扫描（CT）没有什么不同。

Levis告诉Space.com：银河系中心周围的致密区域是一个极端的地方，在这里，热的磁化气体以相对论速度（接近光速）绕着超大质量黑洞运行。

这种独特的环境为被称为耀斑的高能喷发提供了动力，耀斑会在X射线、红外和无线电波长下留下观测特征。

最近，理论家们提出了这种耀斑出现的几种机制，其中之一是通过吸积盘中突然形成的极其明亮、致密的区域。

他补充道，这项工作的关键结果是，在探测到耀斑后，Sgr A*周围无线电亮度的3D结构可能会直接恢复。

从单个像素构建黑洞Levis说：Sgr A*位于我们银河系的中心，是距离我们最近的超大质量黑洞，也是研究此类耀斑的主要候选者。

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要有效地做到这一点，当ALMA观测与耀斑重合时，你仍然需要运气。

他解释说，2017年4月11日，ALMA在X射线拍摄到一次剧烈喷发后直接观察到了Sgr A*。

ALMA获得的无线电数据具有一个周期性信号，与Sgr a*周围轨道的预期信号一致。

Levis补充道：这促使我们开发了一种计算方法，可以从ALMA观测到的时间序列数据中提取3D结构。

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与Sgr A*的事件视界望远镜（EHT）2D图像相比，我们对恢复3D体积感兴趣，为此，我们依赖于对光如何在黑洞的强大引力场中沿着弯曲轨迹传播的物理建模。

银河系中心的超大质量黑洞Sgr A*首次在偏振光中出现。

（图片uux.cn/EHT Collaboration）为了实现他们的结果，科学家们研究了源自阿尔伯特·爱因斯坦1915年引力理论广义相对论的物理学，然后将这些关于超大质量黑洞的概念应用到神经网络中。

然后，这个网络被用来创建Sgr a*模型。

Levis说：这项工作是天文学家和计算机科学家之间的独特合作，他们从人工智能和引力物理领域推进了尖端计算工具，在首次尝试揭示Sgr a*周围的3D无线电发射结构时，每一种工具都贡献了整体的重要组成部分。

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结果不是一张普通意义上的照片；

相反，它是一张从时间序列观测中提取的计算3D图像，通过将神经网络与气体如何绕黑洞运行以及同步辐射在这个过程中如何发射的预期物理约束在一起。

他解释说，该团队通过计算将3D排放物放置在Sgr A*周围的轨道上，从任意结构开始。

通过光线追踪，即对光的物理行为的图形模拟，Levis及其同事能够模拟ALMA在未来如何看到Sgr A*周围的结构。

这些模型在耀斑发生10分钟后开始，然后是20分钟后，30分钟后，以此类推。

Levis补充道：神经辐射场和一般相对论射线追踪技术为我们提供了一种开始改变3D结构的方法，直到模型与观测结果相匹配。

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研究小组发现，这提供了关于Sgr A*周围环境的结论，这些结论确实是理论预测的，表明亮度集中在吸积盘中的几个小区域。

尽管如此，这项工作的某些方面还是让莱维斯和团队其他成员感到惊讶。

研究人员说：最大的惊喜是，我们能够从光曲线观测中恢复3D结构……本质上是一个闪烁像素的视频。

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想想看：如果我告诉你，你可以从一个像素恢复视频，你会说这听起来几乎不可能。

关键是我们没有恢复任意的视频。

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我们正在恢复黑洞周围发射的3D结构，我们可以利用预期的引力和发射物理来约束我们的重建。

Levis补充道，ALMA不仅测量光的强度，还测量光的偏振，这一事实为研究小组提供了一个信息丰富的信号，提供了关于Sgr a周围耀斑三维结构的线索*Levis表示，未来他和团队打算在改变用于约束人工智能的物理参数的同时进行模拟。

Levis总结道：这些结果是令人兴奋的第一步，它依赖于这样一种信念，即Sgr A*是一个黑洞，其环境遵循规定的引力和发射模型；

我们的结果的准确性取决于这些假设的有效性。

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未来，我们希望放松这些限制，允许偏离预期的物理。

我们的方法利用了物理学和人工智能之间的协同作用，为新的、令人兴奋的问题打开了大门，这些问题的答案将继续推动我们对黑洞和宇宙的理解。

该团队的研究于周一（4月22日）发表在《自然天文学》杂志上。

时空弯折的终极秘境 黑洞藏着光线逃不出的边界

强大引力不断拉扯弯折空间，形成一道无形的事件视界，哪怕是宇宙中速度极限的光，一旦跨入这片范围，也再也没有办法向外挣脱逃离。

聊聊黑洞的形成本源，看懂时空弯曲的原理，便能明白光线被困的深层缘由。

广袤宇宙中，万事万物都会带来时空形变，质量越大的天体，对周边时空的弯折效果就越明显。

平日里地球、恒星带来的曲率变化十分微弱，我们很难直观察觉，光线穿行其间只会出现轻微偏移，依旧可以顺畅传播。

可黑洞截然不同，它由超大质量恒星晚年坍缩演化而来，星体内核急剧向内收拢，体积不断压缩，质量却高度汇聚，让周遭时空被剧烈拉扯扭曲。

极度密集的质量，催生出恐怖的时空曲率，空间不再保持平直状态，如同一张被重物狠狠按压凹陷的弹性薄膜，越靠近中心位置，弯折程度就越发夸张。

这种肉眼看不见的空间形变，正是黑洞一切奇特现象的根源，也构筑起专属它的宇宙规则。

事件视界便是时空弯折形成的临界分界线，没有实体轮廓，却划分出两种截然不同的物理世界。

界线外侧的时空曲率相对平缓，宇宙常规法则正常生效，光线、星际物质可以自由穿行，天体也能按照既定轨迹运转，光线能够毫无阻碍地向四面八方传播扩散。

一旦跨过事件视界，时空曲率瞬间飙升至极值，空间结构彻底扭曲塌陷。

此刻所有运动规律都会被改写，光线即便以最快速度行进，也只能顺着弯折的空间不断坠向黑洞核心，完全找不到向外逃逸的路径。

光无法逃离视界范围，也让黑洞拥有了漆黑无光的外表。

本身不会向外辐射反射光线，外界光线落入其中也尽数被束缚吞噬，没有光能抵达观测者视野，所以人类无法直接目视黑洞本体，只能依靠引力效应、光线偏折等间接痕迹判断它的存在。

时空曲率带来的束缚力，不止困住光芒，也禁锢住所有物质与信息。

任何行星、星云碎片、宇宙尘埃，不慎闯入事件视界之后，都会顺着扭曲的空间持续下坠，最终汇聚到中心奇点。

外界永远无法获取视界内部的状态变化，这里成了宇宙天然的封闭秘境。

对比普通天体就能清晰看出差距，行星、恒星的时空弯曲程度有限，物体只要达到对应逃逸速度，就能脱离引力影响。

黑洞曲率突破临界阈值，直接锁住光速运动的光线，成为宇宙中独一无二的时空牢笼。

人类依靠天文观测不断探索黑洞奥秘，从捕捉引力波，到拍摄黑洞实景影像，一步步印证时空曲率的相关理论。

这份极致弯折造就的特殊天体，不断颠覆着人们对时空的固有认知，也指引着人类持续探寻宇宙更深层次的奥秘。

吞噬一切的宇宙深渊，黑洞引力藏着光速禁区

它拥有世间顶尖的引力束缚力，独特的视界边界划分出截然不同的时空领域，只要踏入视界范围之内，就连每秒三十万公里的光速，都没办法挣脱引力拉扯向外逃离。

今天就用闲聊述说的口吻，聊聊黑洞引力的奇特特性，讲讲视界的划分意义，理清为何光速都无法从黑洞内部脱身，一同揭开这片宇宙禁区的神秘面纱。

宇宙天体的引力强弱，一直和自身质量、密度牢牢挂钩。

普通恒星、行星的引力，只能束缚周边卫星与星际物质，物体只要达到对应速度，就能摆脱引力飞向深空。

而黑洞诞生于大质量天体的末期演化，巨型恒星燃料耗尽后，再也无法支撑自身庞大躯体，核心在自身重压下急剧向内坍缩，体积被无限压缩，密度飙升到难以想象的地步。

极致致密的结构，催生出碾压所有常规天体的超强引力，这也让黑洞拥有了独一无二的宇宙统治力。

从黑洞形成的那一刻开始，它就注定成为宇宙里特殊的存在，和我们熟知的星体运转规律彻底区分开来。

围绕黑洞存在一层无形的边界，这便是人们常说的事件视界。

它没有实体外壳，肉眼无法直接看见，却是一道无法逾越的分界线。

视界之外的宇宙空间，依旧遵循常规物理规则，光线、星体、宇宙尘埃都能自由穿梭，天体也可以依靠运动速度远离黑洞影响范围。

一旦物质、光线跨越这条无形界线，彻底进入视界内部，一切都会发生颠覆性改变。

黑洞恐怖的引力会牢牢锁定内部所有存在，再也没有力量能够带着物质脱离这片区域。

衡量天体引力束缚能力，有一个关键参照标准就是逃逸速度，也就是物体摆脱天体引力束缚，飞向宇宙远方需要具备的最低速度。

地球有着自身对应的逃逸速度，火箭突破临界数值便能冲出大气层奔向太空，太阳系里的各大行星、恒星，都有着各自固定的逃逸速度门槛。

黑洞打破了常规天体的速度极限，视界内部的逃逸速度直接超越光速。

光速是目前人类认知里宇宙最快运动速度，连光线本身都没办法积攒足够速度冲破引力牢笼，其他星体、星际物质自然更没有脱身的可能。

光线坠入黑洞视界后，无法向外反射、传播，我们没办法捕捉到黑洞自身散发的光亮，这也是黑洞漆黑一片、难以直接观测的根本原因。

任何闯入视界之内的物质，不管是庞大的恒星残骸，还是细碎的气体尘埃，都会被强大引力不断拉扯撕扯，最终向着黑洞中心奇点不断坠落，彻底消融在这片深渊之中。

超强引力不止禁锢视界内部的一切，也会剧烈扭曲周边时空。

靠近黑洞的星体运行轨迹会被强行弯折，光线途经周边空间也会发生明显偏转。

不少遥远天体发出的光芒，在奔赴地球的途中靠近黑洞区域，都会被引力改变行进路线，这也给天文观测带来了奇妙的视觉效果。

科研人员依靠光线弯折、天体异常运动等间接痕迹，一步步推算黑洞位置，测算它的质量与引力强度。

时至今日，人类依旧没办法近距离抵达黑洞视界实地探查，视界内部的时空结构、物质形态，还留存着大量未解谜题。

光速无法逃逸的特性，让黑洞成为宇宙天然的隔绝领域，里面的一切变化都无法向外传递信息。

黑洞凭借极致强大的引力，划定出超越光速束缚的视界禁区，成为宇宙中最神秘的深渊天体。

这份打破常规物理认知的特质，不断吸引着人类探索研究，随着天文观测技术持续进步，未来我们也会慢慢解锁更多黑洞隐藏的宇宙奥秘。