以進一步預測有一天我們將以何種方式更仔細地與它相見。

一年前，歷史被創造了。經過全球科學家長期而艱苦的工作，首次獲得了黑洞視界的第一張直接圖像，拍攝的是一個名爲M87*的超大質量怪物，距離地球5500萬光年遠。那張輝煌、金色、模糊的圖像證實了我們關於黑洞的許多想法。

獲得了這張圖像後，科學家們並沒有停止研究。一組科學家團隊根據從M87*中學到的知識，結合廣義相對論的預測，進行了計算，以進一步預測有一天我們將以何種方式更仔細地與它相見。

黑洞的引力非常強大。它們的質量大到光速都太慢，無法在黑洞引力的作用下逃逸，而且它們還會彎曲途徑視界外的光的路徑。

如果一個經過的光子距離太近，它就會被困在圍繞黑洞的軌道。這將形成所謂的“光子環”或“光子球體”，一個完美的光環將環繞在黑洞吸積盤的內邊緣，但處於其視界之外。

這也被稱爲是最內層的穩定軌道，你可以從下方的圖像中看出。這是由天體物理學家Jean-Pierre Luminet於1978年繪製的。

圖自Jean-Pierre Luminet

黑洞周圍環境的模型表明，光子環會創建一個複雜的子結構，由無限光環組成——有點像你在無限鏡像裏看到的效果。

哈佛-史密松天體物理中心的天體物理學家Michael Johnson解釋道：“黑洞的圖像實際上包含着一系列嵌套的環。每個環的直徑大致相同，但隨着光在到達觀者之前繞黑洞運行的次數越多，就變得越來越銳利。通過現在的EHT圖像，我們僅僅瞥見了任何一張黑洞圖像中均應出現的全複雜度。”

事件視界望遠鏡

在M87*（上圖）歷史性的第一張圖片中，我們可以看到吸積盤——圖中橙色發光部分。中間的黑色部分是黑洞的陰影。我們實際上是看不到光子球體的，因爲光環非常精細，而望遠鏡分辨率不夠高，因此無法捕捉到，但它應該位於黑洞陰影的邊緣周圍。

如果我們能看到它，光環就會告訴我們一些關於黑洞的非常重要的信息。光環的大小可以告訴我們黑洞的質量、大小和自轉速度。我們可以從吸積盤中確定這些數據，但光子環允許我們進一步縮小數據範圍，以便進行更精確的測量。

研究人員在論文中寫道：“從宇宙的任何地方收集到的光子殼層，每一個子環都是由向觀察者屏幕傾斜的光子組成的（每個子環都是由→被宇宙中的光子殼層收集到之後 → 透過引力透鏡 → 的光子組成的）。”

“因此，在一個沒有吸收的理想環境中，每個子環都包含了一個獨立的、指數衰減的整個宇宙的圖像，隨後的每個子環都在更早的時間捕獲了可見宇宙。總之，這組子結構就像電影畫面，捕獲了從黑洞看到的可見宇宙的歷史。”

因此，Johnson和他的團隊使用建模來確定在未來觀測中檢測到光子環的可能性。他們發現這是可以做到的，儘管並不容易。

M87*的成像是一個獨創性與合作性的壯舉。世界各地的望遠鏡共同創造了一個非常長的基線干涉儀，稱作事件視界望遠鏡，在這裏，可以計算出陣列中望遠鏡之間的精確距離和時差，從而將觀測結果拼接在一起。簡單來說，就像是在使用一臺地球大小的望遠鏡。

Johnson說：“真正領我們驚訝的是，雖然嵌套的子環幾乎是無法用肉眼察覺的——甚至是完美的圖像——但對於稱爲基線干涉儀的望遠鏡陣列來說，是強大而清晰的信號。雖然捕捉黑洞圖像通常需要許多分佈式望遠鏡，但子環只使用兩個相距很遠的望遠鏡就可以進行研究。在事件視界望遠鏡上增加一架太空望遠鏡就足夠了。”

圖自NASA/Xander89/Wikimedia Commons, CC BY 3.0

把望遠鏡送入低地球軌道是一個很好的開始，但這隻能讓我們清楚地拍攝其中一個環。

爲了探測到第二個子環，你必須將望遠鏡放的離近地軌道更遠一點，比如月球。第三個子環則需要將望遠鏡放置在月球之外，在太陽-地球引力相互作用形成的一個穩定位置上，稱爲拉格朗日點，即圖中的L2。

這些都是可行的，NASA正計劃進行月球載人飛行任務，有許多衛星坐落在L2。顯然這不會發生在明天，但這確實是一個令人興奮的目標，爲下一代的視界望遠鏡而努力。

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert，譯者李彤馨，轉載須授權

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