为了详细观察黑洞，她像蝙蝠一样使用“回声”广达杂志

与许多天文学家不同，艾琳·卡拉并不是追星族长大的。 “我没有那个小孩子仰望星空并想做这件事的故事，这让我有些焦虑，”她说。 “这让我变成了假人吗？”

但在本科阶段发现天体物理学后，卡拉就着迷了。现在 观测天体物理学家 在麻省理工学院，她参观了令人费解的领域。就像电影里的宇航员一样 星际， 她探索了巨大黑洞附近的区域。她的目标是更好地了解这些黑洞的行为方式以及它们如何不断重塑宇宙中的星系。

超大质量黑洞的质量相当于数百万或数十亿个太阳，几乎潜伏在每个星系的中心。从能量上讲，这些黑洞就像星系黑暗的、跳动的心脏。

“它们不仅仅是装饰性的。他们不只是被动地坐在那里，”卡拉说。 “它们实际上决定了星系如何演化以及为什么星系看起来是这样的。”

卡拉试图了解这些黑洞附近的环境，黑洞的大部分能量都在那里释放。例如，通过仔细跟踪黑洞附近旋转的气体和等离子体（形成所谓的吸积盘），她可以估算出黑洞的质量。附近的气体和等离子体还可以帮助揭示黑洞如何创造极端的宇宙结构，例如相对论性喷流——巨大的过热等离子体束加速到接近光速。

但卡拉和其他研究人员必须克服一个巨大的问题：这些目标黑洞距离太远，传统的成像技术无法解析它们的直接周围环境。为了重建黑洞周围的直接环境，卡拉利用吸积盘发出的 X 射线。她测量了光到达地球的时间的微妙延迟。通过这样做，她可以以惊人的分辨率推断出气​​体和等离子体的结构。卡拉对这种方法的研究（称为混响映射）以前所未有的细节揭示了黑洞的疯狂进食，其发现包括 第一个 X 射线“回声” 曾经从黑洞中看到过撕碎恒星的景象。卡拉荣获美国天文学会 2022 年 牛顿·莱西·皮尔斯奖，表彰过去五年在观测天文学方面取得的杰出成就。

广达杂志 最近与卡拉谈论了她的科学之路、混响映射的具体细节，以及让她彻夜难眠的黑洞。为了清晰起见，采访内容已经过精简和编辑。

你花了很多时间思考黑洞，以至于你甚至有 将它们的模拟转换成声音。许多人认为黑洞“怪异”、“幽灵”或“怪异”。你买这个描述吗？

有一种刻板印象，认为黑洞是我们都应该害怕的令人讨厌的东西，但令人惊奇的是，如果你想把它带到抽象的水平，黑洞实际上给了我们生命。我们之所以聚集在这里，是因为银河系中的气体分布使得恒星能够形成，最终形成了我们赖以生存的星球。在某种程度上，这是由我们银河系的中心黑洞决定的。

黑洞并不是一切的消亡和终结。从某些方面来说，它们实际上是一个开始。

从宏观层面来看，您最有兴趣解决的有关黑洞的问题是什么？

如果您了解黑洞周围强烈弯曲的时空中气体流动的行为，那么您可以使用该信息来测量黑洞的基本属性：其质量和自旋（衡量其旋转速度的指标）。

您能描述一下您正在观察的黑洞的一般情况吗？

它们都被气体和尘埃盘包围。这些吸积盘本身可以变得足够热以发射光学和紫外线辐射，但它们还不足以产生 X 射线。我们用望远镜看到的是，吸积黑洞——正在消耗这些圆盘的过程中——总是会产生X射线。如果你看到十亿光年外的 X 射线，它可能来自一个正在吸积的超大质量黑洞。

黑洞是如何产生这些 X 射线的？

我们知道，黑洞周围一定存在一些真正高能的等离子体，它们会产生这些 X 射线光子。我们称之为日冕——就像太阳周围的热等离子体一样。黑洞的日冕就像吸积盘顶部的王冠。它会变得非常热，并产生大量 X 射线。吸积盘中的物质大约是一百万开尔文，但日冕是十亿开尔文。我们实际上对这种日冕了解不多，最大的问题之一是：它是如何形成的？它的几何形状是什么？

那么，您使用的混响映射技术如何从收集 X 射线到揭示日冕及其周围环境呢？

黑洞周围有日冕，还有吸积盘。当日冕用 X 射线照射较冷的吸积盘时，它会导致吸积盘中的离子主要通过荧光辐射自己的 X 射线。

从根本上讲，这些二次 X 射线就像光的回声，因此我们将其称为混响回声。我们正在做的是测量来自日冕的 X 射线主闪光与来自吸积盘的相应回波之间的时间延迟。如果我们能够测量这些回声，那么我们就可以重建黑洞周围的样子。

这类似于蝙蝠使用回声定位的方式。他们看不到他们正在飞过的黑暗洞穴，但他们知道回声会在一定延迟后返回给他们，他们可以利用回声以声速传播的事实来绘制出漆黑的山洞。我们正在这样做，除了光以光速传播。

我想说的是，蝙蝠周围的墙壁不会以相对论速度移动，所以我想当你这样做时，事情会有点危险。

[笑。] 比这稍微复杂一点，只是稍微……

那么，如何才能将您的数据（桶中的 X 射线光子）转换为黑洞周围区域的地图呢？

最初，我们只是在寻找我们知道由日冕发射主导的 X 射线波长范围，以及我们知道由回声主导的范围。我们发现，如果将这些范围之间的时间延迟转换为光传播的距离，它大致相当于绘制非常靠近黑洞的气体流图——在事件视界半径的几倍之内。

现在，我们尝试创建许多不同的日冕吸积盘系统模拟，然后识别那些与我们看到的数据相似的系统。我们通过所谓的广义相对论光线追踪模拟来做到这一点。光线追踪模拟用于各种视频游戏中，其原理相同：我们取一个点作为日冕的模型，我们从它向各个不同方向发出光线，然后我们只需跟踪这些光线的位置射线去。其中一些会到达远处的观察者，一些会落入圆盘，照射圆盘，然后反弹并反射到望远镜的平面上。

混响映射与事件视界望远镜为获取黑洞直接图像所做的工作有何不同？

事件视界望远镜在对银河系中心的黑洞和 M87 进行成像方面非常出色，但它实际上只能对这两个黑洞进行成像。更重要的是，如果我们想了解黑洞如何生长的问题，我们需要观察目前正在积极生长的黑洞——或者更确切地说，在 X 射线中极其发光的黑洞。

我们银河系中心的黑洞一定经历过这个阶段，它正在积极生长并吞噬大量物质。现在，它还没有这样做——正是因为它没有增长太多，事件视界望远镜才能直接对它进行成像。为了研究那些正在积极生长的黑洞，其中有高密度物质冲向黑洞，我们需要另一种技术。这就是混响映射的用武之地。

您观察过的黑洞中是否有任何对您来说特别有用的信息？

我的一般研究策略是寻找以我们期望的方式运行的黑洞。如果你能够理解这些系统的细节，并且能够真正清晰地追踪黑洞周围的几何形状，那么你就可以精确测量黑洞的质量和自旋。

我现在最喜欢的一款是名为 MAXI J1820+070 的 X 射线二进制文件。它不是一个超大质量黑洞；它是一个黑洞。它只是太阳质量的10倍。它位于一个带有恒星的伴星系统中，它从恒星中吸出气体并形成吸积盘和日冕。它只是一个非常干净的系统，而且离地球非常近：对我们来说，它比这些超大质量黑洞亮大约一千倍。

另一方面，哪些黑洞对你来说特别极端或特别奇怪？

我喜欢研究正常人，然后我喜欢把事情搞砸，看看哪里出了问题。真正有趣的是那些奇怪的系统，它们会让你彻夜难眠，想知道：大自然到底是如何让这种情况发生的？让我彻夜难眠的源头叫做 ASASSN-18el，它是一个超大质量黑洞。

ASASSN-18el 被发现于 ASAS-SN 全天巡天 作为这些看似正常的黑洞之一，然后突然陷入疯狂的爆发。我们开始用光学、紫外线和大量 X 射线观察来观察它，结果完全变得疯狂。它最初爆发了，然后就关闭了——就像亮度降低了四个数量级。然后它再次打开，成为河外天空中最亮的X射线源，持续了大约一年，然后它又开始关闭。现在看来它可能会重新启动。

我们认为某些东西关闭四个数量级的时间尺度至少需要数百万年。然而我们看到它在一年或几个月内发生。怎么会发生这样的事呢？

从历史上看，我们对这些吸积的超大质量黑洞（称为活动星系核）的了解是从我们每隔一段时间观察它们的调查中了解到的。但现在我们进行了全天空调查，每周扫描几次天空，我们只是盯着这些黑洞，看看它们会做什么。事实证明，当我们不看他们时，他们正在做各种疯狂的事情。现在我们终于意识到了这一点。

是什么促使您进入天文学并研究黑洞？又是什么让您至今仍受到启发？

追求天文学真正让我兴奋的是发现方面：成为第一个观察十亿年前黑洞周围释放的光的人真是太激动了。太棒了。我们弱小的人类怎么能够思考这些事情，或者聚集在一起开发技术来回答自从人类思维开始以来人们一直在问的一些巨大的基本问题？

我喜欢将人们聚集在一起以实现共同目标的社区方面。关于什么是“科学”，我们有这样的想法——你就像是独自坐着，受到自己的创造性天才的启发，然后你自己做出了所有这些发现。但这并不是它最鼓舞人心的地方。对我来说，我们能够共同努力，利用彼此的专业知识来创造比我们任何人都大得多的东西。