黑洞的肖像
原文作者： Avery E.Broderick and Abraham loeb
单位：scientific american
摘要：黑洞是最近我们研究的热门，但是我们看到的黑洞仅仅是一个视界。而随着现在技术的不断深入，现今大家对黑洞的了解越来越深入。
关键词：黑洞；视界；驱动问题
你可能在电视节目中看过这样的情景，一个电话技师游历到一个遥远的地方，并在他的电话中问道：你现在能听见我么？想象一下这个电话技师跑到了我们银河系的中心，那里隐藏着一个巨大的黑洞，sgrA*,重量达到了太阳的450万倍。当这个技术到达黑洞中1000万千米的地方，他会听到他的声调变得低沉，同时他的声音变小甚至被隐藏，最终会变成单调的低声私语随着接收的减少。当我们看去时，我们会看到他的画面变红并变得昏暗如同他被冻结在时空之中在靠近黑洞的边界的时候，这被看做是视界。
这个技术员本身，却不会感受到时间变慢，也不会看到任何异常的事情在这个地平线事件的限制之中。他只有通过这样一种方式才能够知道自己越过了视界，那就是在听筒中听到我们说：“不，我们不能很清楚地听到你说什么”他不能向我们分享他最后的印象，一点都不行，甚至连光，都不能逃脱出这个视界。当他越过这个视界的一分钟后，黑洞深处的引力就会把他撕裂。
在现实生活中，我们不能派遣一个技术员去踏上这样的一个旅程。但是天文学家已经发展了允许他们这样做的技术。首先，对抗炽热的不断膨胀的气体制作一张黑洞的黑暗的剪影。
先等一下，你说，天文学家不是已经发表了各种关于黑洞的观察报告，这其中就包括了各种形式的图片么？这是对的，但是，这些图片中的黑洞的旁边有各种气体或者是其他物质，使得黑洞本身成了一个不可知的斑点，或者假定是黑洞中喷射出的巨大的能量。在实际上，我们甚至不知道黑洞是不是真的存在。就造成了很多科学家认为看到了巨大的星体而不算数黑洞。
天文学家们已经在天空中探测到了一些足够大并且致密的物体，假如爱因斯坦的相对论是正确的话，这些物质一定是黑洞，并且我们习惯性地讨论他们，就像我们在文章中所做的那样。但是我们到现在还不能确认这些物质是否具有定义黑洞的一些性质——一个洞在这个洞中所有的物体都必须坠落。这并不是仅仅是一件令人感到深奥并且充满好奇心的事件，以为这样一个视界是传统物理学困扰的中心。同时，这些剪影的图片能够向我们展示发生在这些黑洞附近的天体物理学的过程。
驱动问题
视界是魅力的源泉因为它们代表了两种20世纪取得胜利的两种物理理论的不一致性：量子力学和广义相对论。时间可逆性是量子力学中最根本的一个假设，每一个量子的过程都是一个可逆的过程，在原则上，能够恢复到被置乱前的任何一个状态。与之相比较的广义相对论则认为引力来自于空间的曲率并且预测黑洞的存在，承认不能将被黑洞吸进去中的物质逆转。对量子力学和相对论理论之间的不一致性的调和已经成为了一个弦理论家探寻重力的量子理论的首要动机。一个能预测引力的性能遵循量子力学规律。
在一个更加基本的水平上，物理学家们希望能够知道是否爱因细谈的相对论是否真的是引力的理论，即使他所预测的与经典的，牛顿的，那个视界存在的理论有着十分惊人的误差。黑洞有着十分惊人的误差。黑洞有两个价值相对于符合对爱因斯坦的引力公式的一个非常简单的解决方案（黑洞完全能够被三个数字所定义，它的大小，他的范围，还有它的旋转），能够非常好的区别于牛顿的理论。并且，黑洞处于寻找爱因斯坦方程在极端情况下偏差证据的最关键的位置，能够为引力量子理论提供证据。相反的，这个等式在黑洞附近的成立则会急剧拓展我们所知的广义相对论的范围。
压迫天文学家的关于黑洞附近的情况仍然需要答案。黑洞被掉入的像气体和粉尘所喂食。这些物体获得了巨大的能量当靠近黑洞的视界，产生了20倍于核聚变的热量，迄今为止我们所知的第二有效的能量发生器。从滚烫的，盘旋上升的气体中所释放的辐射，使得靠近黑洞的环境成为了整个宇宙最明亮的部分。
天体物理学家能在一定程度上能为这些积聚的物质建模，但是这些吸积的气体是怎么源源不断地从一个大半径的轨道上到一个更加靠近黑洞的轨道上的，并且也是最关键的，它们是怎么落入黑洞之中的。带电粒子的运动所产生的磁效应肯定在物质的积聚中扮演了一个非常重要的角色。至今为止我们对这些场是如何被构造的并且这些构造是如何影响黑洞被观察到的性能所知甚少。虽然对整个领域的迁徙过程的电脑模拟变得可行，我们理论学家距离真正的从头开始的计算仍有很大的差距。从观察中所的得到的数据的输入对促进新的观点的产生以及对新的模型的建立是最关键的。
令天文物理学家所感到更加尴尬的是我们缺少对黑洞喷射流的理解，即在极端相对论速度，在一个超局黑洞附近的力会合成向外喷出物质。这些令人惊奇的流出物的横向距离比银河系还要巨大。然而，他们最开始是紧紧靠近黑洞，作为校准非常紧密的强烈光束存在的以至于他们能够穿过太阳系——银河针的眼睛。我们不知道什么驱动这些粒子流至如此之高的速度甚至不知道这些流是什么构成的，是电子，还是质子和电子和正电子，或者首先是电磁场？为了回答这些问题和其他问题，天文学家们非常急迫地需要黑洞附近气体的直接发现作为证据。
在远方的巨兽
但是不幸的是，向这样的观察结果是非常难得到的。第一，黑洞对任何天文测量来说是都是极小的。它们以两个品种出现：恒星大小的黑洞，巨星死亡的残骸，这种巨星一般有15个太阳那么大。银河系对于天文望远镜来观察靠近它的单独的星体来说是足够近的，使得其能够估计黑洞的数据。但是不幸的是，这些星体要距离令我们感兴趣的区域非常远，往往在那些区域高能效应会非常明显。
天文学家们同样在搜寻随着时间的推移，在黑洞辐射附近广义相对论的信息。举个例子来说，一些恒星级别的黑洞的X射线的辐射在亮度会成周期性的波动，而这个波动的周期与那些在吸积盘边缘轨道上的恒星的周期相类似。
因此大部分果实累累的探索巨星黑洞的大道都充分利用了再吸积盘表面的铁原子的荧光。快速运动的吸积盘携带这铁原子与黑洞的巨大的引力想联系，变换出了荧光的特征波并通过一列波长进行传递。靠近一个快速旋转的黑洞，这个吸积盘本身同样沿着轨道快速旋转，同时辐射会不对称。日本卫星“ASCA”和Suzaku已经观察到了这样的辐射。而这被天文学家们作为预测以三分之一光速在吸积盘上高速旋转的黑洞的直接证据。
现在已经产生了关于在二元的系统中有多少的旋转着的黑洞的信息。在这个系统中，黑洞和一些普通的恒星相互靠的足够近使得黑洞能够慢慢地吞噬它的“伙伴”。
经过对X射线和少数这样的系统的轨道的参数的分析，预示着这些黑洞拥有这相对论中一个给定大小下的洞的最大速度的65%到100%的这样一个自转速度。非常高的自转速度看起来非常平常。
光线和高能喷流不是从黑洞发射出来的仅有的东西。当两个黑洞相互碰撞，它们会震动
它们附近时空的构造，产生一个传播出去的引力波，想在水池中的涟漪。这些时空的波浪能在一个很远的距离上被探测到，尽管需要十分敏感的仪器。尽管天文台先前的操作至今没有探测到了一些引力波，但是这种方式提供了学习黑洞的一条新的路。
一个视图窗口
尽管提供了信息的财富，至今还没有被描述的技术能够提供一张黑洞的信息的图片。现在，然而，得益于最近技术的快速发展，一张黑洞的直接图片即将会产生。黑洞被描绘成一个在我们后院中的巨兽，Sgr A*在仅仅距离我们24000光年的地方，Sgr A*占有着天空中已知黑洞中的最大的圆盘。一个十个太阳系那么大的黑洞只有在这个距离的百分之一上才能表现得这么大。同时尽管超巨型黑洞要远远大于Sgr A*，但是它们都距离得很远。
外文翻译出处：
[1]Avry E.broderick;Abraham loeb.portrait of black hole [J].scientific of American,2009(10).
外文文献附后
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