在星系中心通常隐居了一个贪婪而暴戾的黑洞，通过自身强大的引力作用和能量的超级喷发，中心黑洞影响了周围物体的成长和死亡。卡福利研究所之粒子天体物理学和宇宙学研究室的罗杰·布兰德福德主任是一名国家科学院的院士，他认为黑洞对星系的形成和星系的环境产生了主要的作用，黑洞在寿命期内释放的能量比一个星系中所有恒星释放能量的总和还要多，黑洞蕴含和释放的能量属于宇宙的超级能量。在靠近黑洞视界的区域，引力的作用十分强烈，已知宇宙中运动速度最快的光子也无法逃脱黑洞的引力捕获。

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黑洞是漆黑一团的不发光天体，人们不可能直接观测到黑洞的存在，科学家找到了发现不可见天体的方法，观测黑洞对周围天体的影响，通过间接法寻找黑洞的踪迹。黑洞周围的伴随恒星和翻涌的气体云团物可以成为天文学家的观测对象，他们设法获得了黑洞周围的物理信息，创建了计算机模型，通过计算机的模拟技术来理解这些物理信息的含义，预测遥远太空中黑洞的存在和属性，然而，理论模型再好，也不能仅停留在假设的层面，完美的理论模型与物理观测的结果保持一致。

马里兰大学帕克分校的物理学助理教授乔纳森·麦金尼解释说，几乎所有在弱重力场进行的检验都验证了爱因斯坦的广义相对论，实验数据都落在了以爱因斯坦的公式计算出的线型上，然而，广义相对论在强引力场的有效性有待检验。显而易见的是超强引力场或靠近了黑洞，或在黑洞内部，对黑洞引力场的检验极其困难，物理学家一直没有在重引力场的环境检验广义相对论的有效性，“黑洞实验室”无疑是最终检验的最佳场所。不能直接观测到黑洞，人们可以寻找替代性的检测场合，吸积盘是黑洞周围典型的伴随物体，一个由超热物质组成的蝶状旋转盘，吸积盘位于黑洞视界的外侧。

对黑洞喷流的观测可以代替对黑洞本身的观测，黑洞喷流是由电离化气体形成的高能束流，喷发的距离延伸到了数十亿光年的范围，黑洞喷流穿越了茫茫太空，构成了宇宙中一幅极为壮丽的画卷。2013年1月，《科学》杂志发表了由麦金尼、切科夫斯克伊和布兰德福德共同探测的成果，在吸积盘的中心处，黑洞喷发的能量流产生了变形和弯曲的效应，比科学家之前预测的弯曲值要大，黑洞喷流的变形和弯曲与叠加效应有关，一是黑洞有极强的引力，二是黑洞的旋转带来了极强的磁力。

高度细节化和抽象化的理论模型模拟了黑洞的环境，创建了黑洞模型的知识系统，几十年来，过于简单的吸积盘和黑洞两极喷发的模型主导了黑洞学的研究，过于简单的模型将吸积盘抽象为太空的一块平板，“躺平”的吸积盘内边缘处于黑洞引力范围的外边缘，黑洞喷流从垂直于吸积盘的两则向上下两个方向同时喷出。科学团队应用了计算机的3D技术，立体化地模拟了黑洞喷流的图像，国家科学基金会之极端科学和工程发现环境（XSEDE）分会和NASA的科研人员为科学团队提供了超级计算机技术的支持，科学团队开发的模型推翻了过于简单的吸积盘和黑洞喷流的模型。

在科学团队开发的模拟中，喷流的轴线与黑洞的旋转轴合在一起，逐渐形成的喷流轴线受到了吸积盘物质的推压，喷流弯曲成了与吸积盘旋转轴平行的方向，喷流中心轴和吸积盘中心轴在开始时产生了一个较大的偏移量。喷流和吸积盘产生了交互作用，形成了弯曲吸积盘的物质分布密度。普林斯顿大学理论科学中心的博士后研究员亚历山大·切科夫斯克伊解释说，穿越了黑洞的磁场强度是一个重要因素，磁场强度在以往的黑洞学研究中只是一个自由的参数，科学团队的研究显示，磁场强度有极大值，磁力对吸积盘的作用与黑洞的引力同样强大。

吸积盘的扭曲能量增长到了极大的程度，实际上驱动了喷流的爆发，新的理论解释与过去的理论解释刚好相反，强大的喷流对吸积盘进行了再调整，吸积盘反而没有对黑洞的喷流过程进行再调整。以往的科学家一直认为，吸积盘占据了主导方面，打一个形象的比喻，吸积盘好像一只狗，喷流则好像狗尾巴的摆动。科学团队的研究模型表明，黑洞的磁场作用实际上高过了引力，导致了喷流占据了主导方面，喷流成了一只狗，吸积盘则成了摆动的尾巴，吸积盘和喷流的主次性发生了颠倒性的变化，吸积盘随从喷流的变化，不是喷流随从吸积盘的变化，打一个形象的比喻，在吸积盘和喷流的平衡机制中，“狗”在追逐自己的“尾巴”，吸积盘追逐了喷流的摆动。

天文学家比以往任何时候都要了解吸积盘和喷流相互变动的细节方面。2012年12月，麻省理工的研究人员谢博·杜勒曼在《科学》杂志发表了成果，第一次描绘了黑洞喷流的图景。杜勒曼拍摄了一个位于星系M87中心超大质量黑洞的图像，M87是一个临近银河系的星系，杜勒曼和科学团队的成员使用了“视界”望远镜，这是由4部长距离基线干涉望远镜（VLBI）构成的阵列，4部望远镜分布在3个选定的地点。遥远的黑洞喷流在广阔的太空背景好似一束小巧的细长条，如此的景象给科研人员带来了无限遐想，麦金尼、切科夫斯克伊和布兰德福德获得了黑洞附近区域综合性的观测数据，在今后3到5年，科学团队期待得到更多的观测信息。

卡福利研究所的罗杰·布兰德福德解释说，科学团队发现，黑洞周围的气体物质发生了猛烈的翻涌和扭转，通过对周围气体的光谱学分析，科学团队推断，气体物质包裹了一个剧烈旋转的黑洞，观测结果或与科学团队创建的理论模型有一致性，或出现了不同的结果。没有一个准确的模型，对可能发生的任何事件，科研人员都不能给出特定的约束条件，假如找不到对爱因斯坦理论进行检验的方法。有了一个准确的模型，可以在爱因斯坦方程式的基础上观测黑洞附近的区域。

理论模型和观测结果的比较或者保持一致，或者产生了差异，两者的不一致意味着非同寻常的观测情形，爱因斯坦的理论和方程式也许错了，广义相对论在超强引力场失效了。布兰德福德和同事应用了超级计算机技术，创建了新型的黑洞模型，采用了数字转换技术，有关黑洞的物理指标被转化为视觉信号，使得黑洞看起来如同从望远镜观测到的数十亿光年远的天体。科学团队正在完善现有的模型参数，以便模拟效果更接近观测的事实，不仅检验吸积盘和喷流既有的理论认识，了解和掌握吸积盘和喷流的概念、形成和运行的机制，而且在黑洞的场所最终检验广义相对论的有效性。

（编译：2021-4-1）

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