三年前，世界被有史以來第一張黑洞的圖像震驚了–一個被熾熱的光環所包圍的虛無的黑洞。這個位於Messier 87星系中心的黑洞的標誌性圖像被聚焦要歸功於事件地平線望遠鏡(EHT)。這是一個由同步射電天線組成的全球網絡。

現在，哥倫比亞大學的一對研究人員已經設計出了一種可能更容易凝視深淵的方法。他們在發表在《Physical Review Letters》和《Physical Review D》的補充研究中描述了一種新的成像技術，它可以讓天文學家研究一個比M87小、質量為65億個太陽並藏在比M87更遙遠的星系中的怪物。

這項技術的使用只有兩個要求：首先，需要一對處於合併陣痛中的超大質量黑洞；第二，需要以一個近乎側身的角度來觀察這對黑洞。從這個側面的有利位置，當一個黑洞從另一個黑洞前面經過時應該能看到一個明亮的閃光，這是因為較遠的黑洞的發光環被離觀察者更近的黑洞放大了，這種現像被稱為引力透鏡。

雖然透鏡效應眾所周知，但研究人員在這裡發現的是一個隱藏的信號：跟後面黑洞的“陰影”相對應的亮度的明顯下降。這種微妙的暗淡可以持續幾小時到幾天，具體取決於黑洞的質量有多大以及它們的軌道有多緊密地纏繞在一起。研究人員指出，如果能測量這種暗淡持續的時間那麼就可以估計出黑洞事件視界投下的陰影的大小和形狀。事件視界是一個沒有出口的點，在那裡沒有東西可以逃脫，甚至連光也不行。

這項研究的論文第一作者、哥倫比亞大學和平地研究所計算天體物理學中心的博士後Jordy Davellar說道：“花了好幾年時間和幾十位科學家的巨大努力才做出了M87黑洞的高分辨率圖像。這種方法只適用於最大和最近的黑洞–位於M87中心的一對黑洞–及可能是我們自己的銀河系。”

另外他還補充道：“用我們的技術，你測量的是黑洞在一段時間內的亮度，且可以在不需要在空間上解決每個天體的情況下。應該有可能在許多星系中找到這種信號。”

黑洞的陰影既是它最神秘的特徵也是信息量最大的特徵。這項研究的論文共同作者、哥倫比亞大學物理學教授Zoltan Haiman說道：“那個黑點告訴我們黑洞的大小、它周圍時空的形狀及物質如何落入黑洞的地平線附近。”

黑洞的陰影還可能蘊含著引力的真正性質的秘密，引力是我們宇宙的基本力量之一。愛因斯坦的引力理論即廣義相對論預測了黑洞的大小。因此，物理學家們尋找它們來測試其他引力理論，從而努力調和關於自然界如何運作的兩種相互競爭的想法。愛因斯坦的廣義相對論解釋了大尺度現像如行星運行和宇宙膨脹，而量子物理學則解釋了電子和光子等微小粒子如何能同時佔據多種狀態。

在發現早期宇宙中一個遙遠的星系中心有一對疑似超大質量黑洞後，研究人員對燃燒的超大質量黑洞產生了興趣。NASA的行星獵手開普勒太空望遠鏡正在掃描亮度的微小下降。最終，開普勒探測到了Haiman及其同事聲稱是一對合併的黑洞的耀斑。

他們將這個遙遠的星系命名為Spikey，因為它的疑似黑洞在每次自轉時會通過透鏡效應將對方放大從而引發了亮度的峰值。而為了了解更多關於耀斑的信息，Haiman和他的博士後Davelaar建立了一個模型。

然而當他們模擬的一對黑洞在每次運行到另一個黑洞前面時都會產生一個意想不到的、但卻是周期性的亮度下降，這讓他們感到困惑。起初，他們認為這是個編碼錯誤。但進一步的檢查使他們相信了這個信號。

當他們尋找一個物理機制來解釋它時，他們意識到每次亮度的下降都跟最靠近觀察者的黑洞從後面的黑洞的陰影前面經過的時間密切相關。

眼下，研究人員正在尋找其他的望遠鏡數據並試圖證實他們在開普勒數據中看到的凹陷，從而驗證Spikey事實上是藏有一對合併的黑洞。如果這一切都被證實，那麼這項技術將可以應用到其他一些疑似合併的超大質量黑洞對據悉，這些黑洞目前已經被發現並正在等待確認。

隨著更多強大的望遠鏡在未來幾年內的上線，其他的機會可能會出現。定於今年開放的維拉-魯賓天文台將目光投向了超過1億個超大質量黑洞。當NASA的引力波探測器LISA在2030年發射到太空時，進一步偵察黑洞將成為可能。

“即使這些黑洞雙星中只有極小部分具有測量我們所提出的效應的合適條件，我們也可以發現許多這樣的黑洞凹陷，”Davelaar說道。