基本上我們所具備的所有關于黑洞的知識隻是停留在間接證據層面。廣義相對論隻是預見了黑洞的存在以及物質圍繞黑洞的方式，而基于相對論的電腦模拟黑洞和我們所能觀測到的旋繞黑洞的吸積盤和被黑洞以近乎光速噴出的巨量物質作比較。但在2019年，射電天文學家們在M87星系捕捉到了第一張超大質量黑洞的圖像。這一發現為我們探索相對論的極限提供了令人興奮的新方式。

發現第一張超大質量黑洞直接圖像的事件視界望遠鏡合作廣義相對論是一條早已經過多次科學論證的理論。但此理論也并非全無漏洞。最主要的是它與另一條科學理論——量子力學——無法相互支持。理論物理學家們曾提出了一些針對廣義相對論的調整理論。這些模型隻與愛因斯坦的相對論有少許不同，使之很難論證。一篇新刊登在物理評論快報上的文章揭示了對于M87星系的黑洞觀測如何幫助我們了解這些替代理論。

Nicolle R. Fuller/NSF指出當黑洞被熱氣雲環繞時，光被黑洞的引力彎曲折射出黑洞的影子。射電光被黑洞的引力彎曲折射出我們看到M87星系中模糊的光環。這基本上就是黑洞光亮旋轉的邊緣。廣義相對論預示的影子的範圍從黑洞團到圍繞黑洞旋轉環裝的明暗交替區域。而廣義相對論的替換理論對于影子的範圍和物質環的形狀稍有不同。所以團隊觀測研究了M87星系以便找出合适的替換理論。

任何對于廣義相對論的調整都會對在黑洞極端引力環境下的引力的作用得出不同的結論。有些理論出入更大。團隊發現通過觀測M87星系并未給這些調整理論多少調整的餘地。The LIGO and Virgo引力波觀測站确認了廣義相對論所論證的黑洞的大小可以達到150個太陽的質量。

這項新的研究在原有的基礎上改進了500倍。這意味着如果另一種理論是正确的，它的區别隻會存在于極強引力區，這些區域的引力甚至比大部分黑洞附近的引力更強。

不久，天文學家就會公開這個存在于銀河系中的特大質量黑洞的直觀圖片。這些圖片會進一步減少不确定性，甚至可以揭開這個讓愛因斯坦都無法想象的物理學領域的神秘面紗。

廣義相對論是愛因斯坦于1915年發表的一種引力幾何理論（，也是目前現代物理學中對引力的描述）（與後面内容重複）。廣義相對論不僅概括了狹義相對論、完善了牛頓的萬有引力定律，還提供了對引力的統一描述，即引力是空間和時間或者四維空間的幾何屬性。特别地，廣義相對論說明了時空曲率與能量和動量直接相關，這些能力和動量可以來自任何存在的物體或輻射，愛因斯坦場方程就是揭示了這一關系的偏微分方程。

廣義相對論的某些預測與經典物理學的預測有很大不同，特别是關于時間的流逝、空間的幾何形狀、自由落體的運動以及光的傳播。具體例子包括引力時間膨脹、引力透鏡、光的引力紅移、引力時間延遲和黑洞的奇點。迄今為止，所有觀測和實驗都證實了廣義相對論中涉及經典物理學的預測。盡管廣義相對論不是唯一的相對論引力論，但它是符合實驗數據的最簡理論。不過，仍有“如何使廣義相對論與量子物理學定律相一緻，以産生一個完整且自洽的量子引力理論”這樣基本的問題待解決。

愛因斯坦的理論具有重要的天體物理學意義。例如，它暗示了黑洞是大質量恒星的最終狀态。因為黑洞是空間和時間扭曲的空間區域，以至于沒有任何東西甚至是光都無法逃脫。有足夠的證據表明某些天文物體發出的強烈輻射是由于黑洞造成的。例如，微類星體和活躍的銀河核的輻射就分别來自恒星黑洞和超大質量黑洞。

作者：BRIAN KOBERLEIN

FY：Astronomical volunteer team

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