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新地平線物理學(xué)獎(jiǎng)授予追尋神秘黑洞光子層的科學(xué)家

亞歷山德魯·盧浦薩斯卡與邁克爾·約翰遜一道贏得新地平線物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，以表彰他們?cè)诠庾訉臃矫娴难芯?，光子層是黑洞周圍的奇異光環(huán)，可能揭示量子引力相關(guān)理論。

這是一幅關(guān)于超大黑洞及其吸積盤(pán)的插畫(huà)，在距離宇宙深淵最近的軌道上環(huán)繞著罕見(jiàn)的，無(wú)法探測(cè)的光線——光子層。（圖源：丹尼爾·羅卡 繪/蓋蒂圖像）

因?yàn)槊枋隽松衩睾诙垂庾訉拥慕Y(jié)構(gòu)及探測(cè)方法，兩位科學(xué)家獲得了10萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。光子層謎一般的結(jié)構(gòu)在黑洞邊緣成形，可能揭示了宇宙中最大天體遵循的物理學(xué)規(guī)律。

范德堡大學(xué)的亞歷山德魯·盧浦薩斯卡與哈佛大學(xué)的邁克爾·約翰遜共同贏得了新地平線物理學(xué)獎(jiǎng)，“他們闡明了黑洞光子環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和普遍特征，并提出利用下一代干涉測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探測(cè)。”

新地平線獎(jiǎng)由突破獎(jiǎng)基金會(huì)設(shè)立，每年頒發(fā)給處于科研生涯早期的研究者，獎(jiǎng)金由科技界億萬(wàn)富翁謝爾蓋·布林，普莉希拉·陳和馬克·扎克伯格，尤里和朱莉婭·米爾納，還有安妮·沃西基捐贈(zèng)。今年的二等獎(jiǎng)?lì)C給了麻省理工學(xué)院的米哈伊爾·伊萬(wàn)諾夫，哥倫比亞大學(xué)和西蒙斯基金會(huì)的奧利弗·菲爾科克斯，以及佛羅倫薩大學(xué)的馬爾科·西蒙諾維奇，以表彰他們?cè)谟钪鎸?duì)撞機(jī)方面的工作。

當(dāng)光子束進(jìn)入黑洞，大部分光線被彎曲或者（如果光子穿過(guò)了黑洞視界）被黑色深淵永久吞沒(méi)。然而極少光粒子能逃過(guò)一劫——這些光子以緊密軌跡越過(guò)黑洞這一宇宙怪獸張開(kāi)的巨口，如果黑洞正在旋轉(zhuǎn)，它們會(huì)借用黑洞的旋轉(zhuǎn)能量奇跡般跳躍。

通過(guò)首次檢測(cè)到這些光子，科學(xué)家得以以前所未有的視角來(lái)觀察宇宙中最大的天體，并探究在黑洞無(wú)限的引力中已知的物理學(xué)規(guī)律如何被打破。

“引力是大秘密。迄今為止，我們還不知道如何統(tǒng)一愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)空彎曲揭示了引力的相對(duì)論本質(zhì)，量子力學(xué)則是微觀世界的法則。”亞歷山德魯·盧浦薩斯卡對(duì)科學(xué)在線說(shuō)道，他使用相對(duì)論推導(dǎo)了光子層的形狀和描述參數(shù)，

他說(shuō)：“問(wèn)題是引力很弱——引力是所有力當(dāng)中最弱的，所以為了更好理解量子引力，我們必須找到引力最強(qiáng)的地方。而黑洞正是如此?！?/p>

尋找宇宙洗衣店

超級(jí)黑洞巨大無(wú)比，幾乎等于太陽(yáng)系的寬度，因此光子以光速繞行一周需要6天左右。6天之后，光子要么u型轉(zhuǎn)彎繼續(xù)繞行，要么飛進(jìn)或者飛離黑洞。滑進(jìn)黑洞引力的光子在黑洞上方聚成一道薄薄的光環(huán)：光子層。

隨著后進(jìn)入的光線在先進(jìn)入的光內(nèi)部近乎無(wú)限嵌套結(jié)環(huán)，光子層會(huì)分解成更小的環(huán)狀。剝開(kāi)這些層可得到一系列揭示宇宙周圍不同角度的快照，從近些年，回溯到幾十億年前被黑洞捕獲的光線發(fā)出的余暉。

就像自助洗衣機(jī)一樣，黑洞收集每個(gè)角度的光線，讓光線翻滾，向每個(gè)方向發(fā)射。在任意給定時(shí)間，只有一部分光子能適應(yīng)，“總會(huì)有很多光子吸進(jìn)去，總有一些逃出來(lái)?！?/p>

在預(yù)測(cè)光子層的可能形狀之后，兩位科學(xué)家及團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索測(cè)量光環(huán)的方法。約翰遜認(rèn)為事件視界望遠(yuǎn)鏡（事件視界望遠(yuǎn)鏡，是約翰遜和其他研究者拍攝第一張黑洞圖片的設(shè)備）很適合完成這項(xiàng)任務(wù)，只要能把光子層與其他從黑洞中發(fā)出的模糊光帶區(qū)分開(kāi)。

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為了測(cè)量光環(huán)，約翰遜認(rèn)為，研究者只需要把事件視界望遠(yuǎn)鏡組成陣列形式，再需要一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡就能辨別光子層的第一條光帶。

“神奇之處在于——這一點(diǎn)不像天文學(xué)上已經(jīng)做過(guò)的研究——只需要加上一個(gè)軌道就足以研究光子環(huán)?！奔s翰遜對(duì)科學(xué)在線說(shuō)道，“這太令人震驚了?！?/p>

盧浦薩斯卡和約翰遜正攜手推動(dòng)航天局再發(fā)射一顆攜帶望遠(yuǎn)鏡的衛(wèi)星。如果成功發(fā)射，他們10-15年內(nèi)就能獲取光子層最外層光帶的第一張影像。這樣一來(lái)，他們不僅能評(píng)價(jià)黑洞事件視界的大小和黑洞自轉(zhuǎn)，一旦他們能測(cè)量第二光帶，甚至可以探索物理學(xué)中一些極端理論。

“這個(gè)光子環(huán)，可以是從可觀測(cè)到的宇宙任意近的邊緣發(fā)出的，”盧浦薩斯卡說(shuō)，“如果這都不令人激動(dòng)，我想不出還有什么能讓人激動(dòng)得睡不著了?！?/p>

BY:Ben Turner

FY:小白

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