还记得2019年人类获得的首张黑洞（M87*）照片吗？一个模糊的橙红色之眼凝视着世界。在宇宙的终极引力深渊中，黑洞正以其无与伦比的力量扭曲着时空本身。我们知道，任何物质，甚至是速度最快的光，一旦越过其不可返回的边界，也就是事件视界，那么都将被其吞噬，接着便似乎永远消失其中。长久以来，黑洞在人类的想象中常象征着纯粹的黑暗与物质的终结。然而，现代天体物理学揭示在这吞噬一切的边界之外，仍存在着一个由纯粹光线构成的、记录着时空秘密的奇异结构：光子环（Photon Ring）。

我们知道，爱因斯坦的广义相对论早已预言，黑洞强大的引力不仅吞噬一切，还能扭曲周围的时空，就像一个重物压弯了弹性的蹦床，所以即便是光线也无法直行，只得被黑洞的引力掰弯。所以当一束光线样擦着黑洞边缘飞过时，光子恰好沿着黑洞周围一个球面的切线方向运动，它既不会被黑洞吞噬，也不会直接逃离，而是因为黑洞引力陷入到不稳定的圆形轨道上，这就被称为光子球（photon sphere）。

在这个临界轨道上，光子可以绕黑洞运行一圈、两圈，甚至理论上可以运行无数圈。由于轨道的不稳定性，最终这些光子会沿着螺旋轨迹逃逸出来，飞向远方的观测者。当无数个经历了不同绕行圈数的光子到达地球望远镜时，它们在天空中叠加形成了一个明亮的环状结构，就成为了光子环。

所以我们可以发现，光子环并非一个均匀的单环，而是由无数层越来越细的亚环叠加而成。绕行一圈后逃逸的光子形成第一层亚环，绕行两圈的形成第二层，以此类推。随着绕行圈数增加，每层亚环会变得越来越细、越来越暗，但其内层？也越来越接近黑洞的边缘，那个标志着任何光线都无法逃脱的终极边界。

这些越来越锐利的子环从外到内，恰似一帧帧时空切片，最外层记录近期事件，越内层则封存越古老的宇宙影像，最终叠加成一部跨越时间的，记录着被黑洞引力重塑的光线历史的宇宙延时电影。

在了解如何探测光子环之前，我们需要先设想一下：如何在一束强烈的探照灯光中分辨出一只微弱的萤火虫呢？这就是科学家们观测光子环时遇到的核心挑战之一。黑洞本身不发光，但它周围环绕着一个高速旋转的吸积盘：一团由尘埃、气体和带电粒子组成的炽热物质盘。随着物质不断向黑洞坠落，它们因剧烈的摩擦和压缩，温度急剧升高，发出强烈的电磁辐射，形成了如同探照灯般刺眼的亮光。这些炽热旋转的物质光芒很轻易掩盖住了光子环微弱而细腻的光，于是它自然难以被直接观察到。

直到2022年，艾弗里·布罗德里克和他的事件视界望远镜（EHT?）团队开发出THEMIS的超级算法，完成了被他称为“关闭探照灯，寻找萤火虫”的奇妙过程，终于使得光子环得以现形。EHT团队通过混合成像算法测量到M87光子环的半径为21.74 ± 0.10微角秒，这个值在整个7天的观测期间保持恒定。这种稳定性之所以可以成为有力证据，是因为黑洞周围的吸积盘物质在不断变化，但光子环作为时空几何的特征应该保持不变。基于这个测量值，结合理论模型，科学家们更精确地推算出M87黑洞的质量约为71.3亿倍太阳质量。

那么，他们是如何通过算法从模糊的数据中得到这个比望远镜理论分辨率还精细得多的光环的呢？要知道EHT虽然强大，但其分辨率远不足以直接观察到只有约1-2微角秒纤薄的光子环本身。而且观测到的图像信号是混合体，大部分是来自直接飞向我们的光线形成的，只有一小部分才是来自光子环的光线。

其核心是一种混合成像算法，既然已知光子环应该是一个非常薄、形状近乎完美圆形的亮环结构，那么算法的核心就是把这个关键的先验知识通知给计算机。

首先，算法先创建一张由控制点构成的数字画布（比如5x5网格）。这些控制点的亮度可以自由调整，点与点之间平滑过渡。同时，还允许一个大的、模糊的光斑模型来捕捉可能存在的微弱大尺度结构。这一步拟合观测数据中所有复杂的弥散部分，也就是刚才提到的直接发射出来的背景光。

接下来，算法在模型中额外添加一个预设好的薄环，这个环的厚度被严格限制在环半径的5%以内，直接利用了广义相对论对光子环物理性质的预言。这个薄环的位置、大小、总亮度、亮度变化的方向都作为可调参数交给算法去优化。那么现在完整的模型就是灵活的画布 + 大模糊光斑 + 预设的薄环。

算法启动一个基于马尔可夫链蒙特卡洛方法的概率计算引擎，可以自动调整画布上每个控制点的亮度来描绘弥散背景、大光斑的参数以及薄环的所有参数。目标只有一个： 让这个组合模型计算出来的信号，与实际EHT望远镜接收到的信号之间的匹配度达到最高。算法会探索无数的参数组合，计算每种组合的可能性。

最后经过海量的计算，算法找到了最符合观测数据的那组模型参数。此时薄环组件就被清晰地识别出来，它，就是我们要找的光子环。原始的模糊图像减去这个薄环，得到更清晰的弥散背景图像（代表n=0直接发射区），科学家们甚至在里面发现了指向西南方向的喷流基部特征。

现在，我们回到开始提到的内容，为什么我们把光子环称为宇宙延时电影呢？这不仅是因为光子环内环即古卷、外环为新章的天体物理过程记录特性，还因为光子环光嵌套结构本身的共形对称性，恰与全息屏所需的量子系统特性惊人匹配。到这里听起来又有些晦涩了，但理解起来并不困难。

先说全息，它的应用在我们的生活里越发常见，汽车抬头显示，VR眼镜，虚拟吉祥物等等，通过一个编码好的屏，就可以投射出立体的视觉效果。我们感知到的这个引力时空的三维宇宙，其全部信息可能都被编码在一个维度更低的边界表面上。这个承载着宇宙全部信息的假想边界就被称为 全息屏 。而关键在于，描述这个全息屏的物理系统，必须具备共形对称性。而光子环，这个由黑洞引力雕琢出的存在于我们真实宇宙中的结构，正具备了这种核心的数学特性。

这些推测代表着，也许，落入黑洞的信息并没有真正消失，而是被永恒地编码在了这些环绕的光子轨道中。也许，我们眼前的这个光环不仅是一个天文现象，更是一把理解量子引力的钥匙。也许，宇宙真的如全息原理所推测的那样，我们感知到的三维世界，实际是某个更基本的二维信息的投影。

当然，这些都还只是也许。正如一些理论物理学家所指出的，从光子环的对称性直接推断出全息对偶，这一跳跃可能过于大胆。未来的观测和理论计算将告诉我们，这究竟是通向终极真理的线索，还是又一个美丽的科学幻想。

但无论答案如何，光子环都已经向我们展示了一个深刻的事实：在黑洞这个极端的引力实验室中，时间、空间、光和信息以我们从未想象过的方式交织在一起。那个看似简单的光环，可能蕴含着宇宙最深邃的秘密。

参考文献

Broderick AE, Pesce DW, Gold R, Tiede P, Pu HY, Anantua R, Britzen S, Ceccobello C, Chatterjee K, Chen Y, Conroy NS. The photon ring in m87. The Astrophysical Journal. 2022 Aug 16;935(1):61.

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品丨中国科协科普部

监制丨中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

作者丨蔡文垂 中国科学院大学 博士研究生

审核丨李明 中国科学院高能物理研究所 研究员

来源: 论文