新地平線物理學獎授予追尋神秘黑洞光子層的科學家

亞曆山德魯·盧浦薩斯卡與邁克爾·約翰遜一道贏得新地平線物理學獎項，以表彰他們在光子層方面的研究，光子層是黑洞周圍的奇異光環，可能揭示量子引力相關理論。

這是一幅關于超大黑洞及其吸積盤的插畫，在距離宇宙深淵最近的軌道上環繞著罕見的，無法探測的光線——光子層。（圖源：丹尼爾·羅卡 繪/蓋蒂圖像）

因爲描述了神秘黑洞光子層的結構及探測方法，兩位科學家獲得了10萬美元的獎金。光子層謎一般的結構在黑洞邊緣成形，可能揭示了宇宙中最大天體遵循的物理學規律。

範德堡大學的亞曆山德魯·盧浦薩斯卡與哈佛大學的邁克爾·約翰遜共同贏得了新地平線物理學獎，“他們闡明了黑洞光子環的內部結構和普遍特征，並提出利用下一代幹涉測量實驗進行探測。”

新地平線獎由突破獎基金會設立，每年頒發給處于科研生涯早期的研究者，獎金由科技界億萬富翁謝爾蓋·布林，普莉希拉·陳和馬克·紮克伯格，尤裏和朱莉娅·米爾納，還有安妮·沃西基捐贈。今年的二等獎頒給了麻省理工學院的米哈伊爾·伊萬諾夫，哥倫比亞大學和西蒙斯基金會的奧利弗·菲爾科克斯，以及佛羅倫薩大學的馬爾科·西蒙諾維奇，以表彰他們在宇宙對撞機方面的工作。

當光子束進入黑洞，大部分光線被彎曲或者（如果光子穿過了黑洞視界）被黑色深淵永久吞沒。然而極少光粒子能逃過一劫——這些光子以緊密軌迹越過黑洞這一宇宙怪獸張開的巨口，如果黑洞正在旋轉，它們會借用黑洞的旋轉能量奇迹般跳躍。

通過首次檢測到這些光子，科學家得以以前所未有的視角來觀察宇宙中最大的天體，並探究在黑洞無限的引力中已知的物理學規律如何被打破。

“引力是大秘密。迄今爲止，我們還不知道如何統一愛因斯坦的廣義相對論和量子力學。廣義相對論認爲時空彎曲揭示了引力的相對論本質，量子力學則是微觀世界的法則。”亞曆山德魯·盧浦薩斯卡對科學在線說道，他使用相對論推導了光子層的形狀和描述參數，

他說：“問題是引力很弱——引力是所有力當中最弱的，所以爲了更好理解量子引力，我們必須找到引力最強的地方。而黑洞正是如此。”

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超級黑洞巨大無比，幾乎等于太陽系的寬度，因此光子以光速繞行一周需要6天左右。6天之後，光子要麽u型轉彎繼續繞行，要麽飛進或者飛離黑洞。滑進黑洞引力的光子在黑洞上方聚成一道薄薄的光環：光子層。

隨著後進入的光線在先進入的光內部近乎無限嵌套結環，光子層會分解成更小的環狀。剝開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出的余晖。

就像自助洗衣機一樣，黑洞收集每個角度的光線，讓光線翻滾，向每個方向發射。在任意給定時間，只有一部分光子能適應，“總會有很多光子吸進去，總有一些逃出來。”

在預測光子層的可能形狀之後，兩位科學家及團隊開始探索測量光環的方法。約翰遜認爲事件視界望遠鏡（事件視界望遠鏡，是約翰遜和其他研究者拍攝第一張黑洞圖片的設備）很適合完成這項任務，只要能把光子層與其他從黑洞中發出的模糊光帶區分開。

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爲了測量光環，約翰遜認爲，研究者只需要把事件視界望遠鏡組成陣列形式，再需要一台望遠鏡就能辨別光子層的第一條光帶。

“神奇之處在于——這一點不像天文學上已經做過的研究——只需要加上一個軌道就足以研究光子環。”約翰遜對科學在線說道，“這太令人震驚了。”

盧浦薩斯卡和約翰遜正攜手推動美國航天局再發射一顆攜帶望遠鏡的衛星。如果成功發射，他們10-15年內就能獲取光子層最外層光帶的第一張影像。這樣一來，他們不僅能評價黑洞事件視界的大小和黑洞自轉，一旦他們能測量第二光帶，甚至可以探索物理學中一些極端理論。

“這個光子環，可以是從可觀測到的宇宙任意近的邊緣發出的，”盧浦薩斯卡說，“如果這都不令人激動，我想不出還有什麽能讓人激動得睡不著了。”

BY:Ben Turner

FY:小白

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