卓越的黑洞事件視界望遠鏡解決了我們所不知道的類星體之謎

2021-01-08 科技領航人

圖註:事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope)合作組織於2017年4月11日發布的類星體3C 279中央核心及其射流起源的圖像。注意頂部「斑點」的方向,這是人類首次直接觀察到類星體吸積盤。差不多一年前的今天,事件視界望遠鏡合作組織發布了黑洞事件視界的第一張圖像。它的出版標誌著我們第一次直接檢測到一個特殊空間區域,在該區域中,如此多的物質集中在如此小的體積中,甚至沒有光也無法從中逃逸。

在同一觀測活動中,該活動同時在地球上的八個天文觀測站中進行,還對許多其他目標進行了成像,包括類星體3C279。藉助事件地平線望遠鏡的空前解析度,這種強大的宇宙望遠鏡第一次發現了類星體的射流起源。儘管它與理論上的預測相符,但這些細節以全新的方式令人讚嘆。

圖註:該圖展示了J043947.08 + 163415.7(一個由超大質量黑洞驅動的非常遙遠的類星體)如何看起來很近。該物體是迄今為止在早期宇宙中發現的最明亮的類星體,當然,這是僅僅指的是其表觀亮度而非內在亮度。當它們第一次被發現時,類星體是不可思議的神秘物體。甚至「類星體」這個名字也是作為一個縮略詞形成的:準恆星射電源(QSRS),因為它們噴射出大量的能量,但只在射電頻率下可見。最早的類星體在其他波長的光中是完全看不見的,但它們是宇宙中能量最強的放射源之一。

隨著我們觀測工具的改進,望遠鏡開始發現容納這些類星體的星系——有時微弱,有時很遠。 它們由星系中心組成,星系中心發出明亮的輻射流。附近具有清晰可見星系的星系被稱為活躍星系核(AGN);那些用指向我們的噴射流被稱為耀變體(blazars)(BL Lac星體)。今天,眾所周知它們都是同一類天文學現象。

圖註:雖然類星體和活動星系核的遙遠宿主星系通常可以在可見光/紅外線中成像,但射流本身和周圍的發射物最好在X射線和無線電中看到,如橢圓星系武仙座A(Hercules A)所示,如果X射線發射沿著相同的路徑進入氣體,它們可能會由於電子的加速而產生熱點。我們認為這些星系中的每一個都在發生著這樣的事情:在這些星系的中心應該有一個超大質量的黑洞,而那些看起來像類星體、活動星系核或黑洞的星系都在積極地吸食物質的過程中。它們應該有吸積盤和物質流,這些物質流被超大質量黑洞加速(但僅被部分吞噬),其中大部分流入的物質在這些超強射流中噴射出來。

射電天文學的長期目標之一,是提高我們對中心黑洞周圍區域這些類星體射流的觀測的解析度,以期希望確切了解哪些物理過程正在推動這種超高光度的輻射產生。隨著事件視界望遠鏡的問世,該望遠鏡是完成這項工作的最好的工具。

圖註:地球半球之一對事件視界望遠鏡的成像功能做出貢獻的不同望遠鏡和望遠鏡陣列的視圖。 從2011年到2017年,尤其是2017年的數據,現在使我們能夠首次構造黑洞事件視界的圖像,並在遙遠的類星體3C 279中成像新穎的特徵。事件視界望遠鏡本身不是單個望遠鏡,也不是單個陣列的望遠鏡,而是由八個不同天文臺組成的集合。 其中一些是大型的單碟射電望遠鏡。其他的則是大型的望遠鏡陣列,其中面積最大和最全面的是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA),其本身由66臺單獨的望遠鏡組成。

當事件視界望遠鏡以完美的效率運行時——當大氣影響最小化時,當所有誤差源都可以忽略或排除時——它的行為就像一個單一的望遠鏡,其:

集光能力取決於所有望遠鏡組件的總面積,但其解析度取決於望遠鏡之間的距離,最高可達地球的直徑。

圖註:截至2017年,構成事件視界望遠鏡的八種不同的望遠鏡和望遠鏡陣列。下一次觀測運行開始時,總共11個獨立站點將為新的EHT做出貢獻,從而實現更高的解析度和聚光能力。最後一部分——解析度——正是事件視界望遠鏡如此強大的原因。每圈360度,每度60弧分,每弧分60弧秒。肉眼可以看到大約1弧分的解析度;像哈勃太空望遠鏡這樣的超強天文臺可以看到大約十分之一弧秒的解析度。

通常,解析度是由可適合望遠鏡直徑的光波長(無論使用何種波長)決定的。即使無線電波遠長於我們的眼睛(和哈勃望遠鏡)所敏感的光學波長,但地球的直徑卻比任何鏡子都要大得多,因此事件視界望遠鏡可以分辨出幾十微弧秒的特徵,比哈勃看到的靈敏度高1000倍以上。

圖註:事件視界望遠鏡的第一張發布的圖像實現了22.5微秒的解析度,使陣列能夠解析M87中心黑洞的事件視界。單盤望遠鏡的直徑必須達到12,000 km,才能實現相同的清晰度。請注意4月5/6日圖像和4月10/11日圖像之間的外觀有所不同,這表明黑洞周圍的特徵隨時間變化。這有助於證明同步不同觀測值的重要性,而不僅僅是時間平均。2019年,當梅西埃87星系核心的第一個超大質量黑洞的標誌性圖像被發布時,一組位於大約50億光年之外的類星體3C279中心區域的圖像也被發布。在同一次觀測過程中我們首次拍攝到的事件視界圖像,這些圖像是第一次在這個類星體的核心發現了兩個獨立的「光點」。

這些對於理解正在發生的事情非常重要。圖像底部的橙色光線是類星體周圍常見的兩股物質射流中的一股的起源,這兩股物質射流來自一個黑洞,其質量估計約為太陽質量的10億倍。但從大約50億光年遠的地方,我們可以看到上一團,獨立於下一團,解析度不足半個光年。

圖註:星體3C 279的初步觀測記錄於2017年,2019年首次以圖像形式發布,顯示這種不尋常的噴氣結構(垂直)並帶有一個偏移的、方向不同的無線電輻射源。這是對類星體活動吸積盤的首次觀測。我們第一次看到的是黑洞周圍的活動吸積盤。事件視界望遠鏡拍攝到的那個上部斑點表明,射流的底部存在扭曲的形狀,並且還顯示出與射流本身垂直的特徵。

對這些垂直特徵的初步解釋是該圖像顯示黑洞周圍活動吸積盤,而射流是從該盤的兩極中噴出的。這是值得注意的,有兩個原因。

這正是類星體的理論模型多年來一直在預測的結果,但是望遠鏡技術從未(直到現在)還沒有發展到可以證實、反駁或測試這一點的程度。根據黑洞的大小,我們應該期望在幾個小時的時間尺度上看到這些電磁特徵的時變,而且在多天拍攝的多幅圖像確實顯示了這些時變,以前只能在看到數據模擬。

圖註:這些射流的亮度和位置的時間變化表明出現了明顯的超發光運動,但這很可能只是一種光學錯覺。但是,射流特徵的實時變化非常真實,並依賴於諸如等離子體不穩定性的解釋。更引人注目的是,科學家可以隨時間在空間上跟蹤這些射更值得注意的是,科學家可以在空間、時間上跟蹤這些射流的運動,這些射流應該與單個電子的運動相對應。 這些電子的速度應該受到光速的限制,但是這個射流速度似乎以光速的20倍傳播,這個想法是對愛因斯坦一個挑戰。這個項目的首席研究員託馬斯·克裡希鮑姆(Thomas Krichbaum)對這個謎團感到非常興奮:

「簡單地理解向外傳播的相對論射流,很難使沿橫向射流方向的運動協調一致。這表明在彎曲射流或內部射流旋轉中存在傳播等離子體不穩定性。3c279是天文學中第一個顯示超光速運動的來源,而今天,差不多50年後,仍然有一些驚喜給我們。」

圖註:Pictor A的X射線/無線電合成圖像的注釋版本,顯示了反射流、熱點和許多其他迷人的特徵。這個相對論射流由一個活躍的星系提供動力,釋放出巨大的能量,但時間跨度很長(約10^6年),而不是一下子全部釋放出來。由於它離地球很近,事件視界望遠鏡有可能將其中心區域成像到比3c279更好的空間解析度。「超光速運動」可能只是一種視覺上的錯覺,但了解為什麼存在這種垂直結構,則為科學家們揭示了一個更深層次的謎題。圍繞超大質量黑洞的吸積盤從未像這樣成像過,如果這是我們在這裡真正看到的,那麼這第一個可能就是我們的宇宙「羅塞塔石碑」,因為它揭示了驅動這類星體的黑洞和我們看到的從它們流出的噴流之間的重要聯繫。

事件世界望遠鏡希望在今年的3月和4月進行另一場觀測活動,但是持續進行的COVID-19大流行迫使該活動取消了。但是,目前正在分析2017年和2018年增強版的數據,並計劃在2021年3月開展一個擴展的事件世界望遠鏡活動,該活動共有11個獨立觀測站。

圖註:流星,拍攝於2014年的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)。ALMA是世界上最先進,最複雜的射電望遠鏡陣列,能夠在原行星盤中成像前所未有的細節,也是視界望遠鏡的組成部分。一年前,人類通過觀察相對鄰近的宇宙中最大的超大質量黑洞,瞥見了我們有史以來的第一個事件視界。 但是,距離更遠的100倍,一個超強大的,高度可變的類星體保守著自己的秘密,事件視界望遠鏡也能夠發現其中的許多秘密。儘管有待確認,但我們可能還是第一次看到類星體的主動吸積盤的圖像。

如果沒有全球範圍內的合作以及地球對基礎科學事業的資助的承諾,像事件視界望遠鏡這樣的大規模天文學項目將是完全不可能的。通過用前所未有的「眼睛」觀察宇宙,我們可以發現和解決我們以前從未知道過的謎團。

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    目前,一個叫做「事件視界望遠鏡」的國際項目正在整合歷史上第一幅真正的黑洞影像。如果成功,這將是一個了不起的成就。由於黑洞的質量太大,近距離觀察它們的難度超乎想像。為什麼沒有天文學家用望遠鏡看見過黑洞大質量恆星自我塌縮,產生一個強大的引力區域,就連光也無法逃脫,這時黑洞便誕生了。天文學家推測,一些黑洞可能形成於大爆炸後混亂的早期宇宙。
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  • 首張黑洞照片拍完後,科學家又計劃對黑洞 「錄像」了
    未來,我們將需要新的超高速數據傳輸技術,或者雲數據存儲方案等等,各方面都需要做優化。但不管如何,我們的目標是未來不再是拍攝黑洞的靜止照片,而是拍攝錄像,從而幫助解答一些非常基本的物理學問題。比如,現在的事件視界望遠鏡無法觀測到星系噴流中非常精細的一些擾動和起伏狀態,但是下一代事件視界望遠鏡就可以做到。如此,將可以極大地幫助我們加深對黑洞如何產生星系噴流的認識。
  • 肉眼能夠看到銀河系中心人馬座A*超大質量黑洞嗎?
    先說答案:人類肉眼無法看到黑洞,必須藉助望遠鏡才能發現和觀測。現代天文學發現,幾乎每個大的星系中心都有一個巨大的黑洞,銀河系也不例外。黑洞是什麼?就是大質量恆星死亡後的屍骸。另一種方法就是觀測黑洞視界外的狀態。黑洞史瓦西半徑以內是無法觀測的,但史瓦西半徑的外沿是黑洞的事件視界,也就是可以觀測到的地方。黑洞由於巨大引力場會吸積周邊的天體物質,就會在周邊形成一個吸積盤,圍繞著黑洞高速旋轉,速度達到光速一半甚至接近光速。這些物質碰撞激發出熾熱明亮的光環,還會激發出強烈X射線或γ射線。
  • 截至目前科學家發現最大的10個黑洞
    據推測,鳳凰座星系團的中心有一個非常巨大的黑洞,其質量達到了太陽的200億倍。NO.8 NGC 4889又叫做科德韋爾35,是一個超巨橢圓星系,距離我們3.36億光年,以每秒7000公裡的速度退行。它的中心是一個210億倍太陽質量的黑洞,在形成初期,這個黑洞的恐怖引力吞噬大量的物質,形成了一個類星體。隨著周圍物質被吞噬殆盡,類星體熄滅,留下了黑洞本體。
  • 天文學家或將得到首張黑洞照片!
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    黑洞照片發布會直播入口:點擊查看  黑洞照片發布會直播國家:全球六地(比利時布魯塞爾、智利聖地牙哥、中國上海、中國臺北、日本東京和美國華盛頓)將聯合召開新聞發布會,公布這一重大科學成果。  黑洞照片發布會直播內容:事件視界望遠鏡(EHT)將宣布一項與超大質量黑洞照片有關的重大成果。
  • 2020年,天文學家發現了這10個巨大的黑洞,其中一個很詭異
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  • 霍金《黑洞是什麼》 |宇宙無垠,我們由奇蹟構成
    約翰·惠勒在1967年提出「黑洞」這個術語,它取代了早先的「凍星」這個名字。 從外面看,你不能知道黑洞裡面是什麼。無論你投入什麼,或者無論它如何形成,黑洞看起來都是一樣的。約翰·惠勒由於以「黑洞無毛」來表達這個原理而聞名於世。
  • 如果一個人掉進黑洞會怎麼樣?霍金:或將得到某種意義的永生!
    我們都知道宇宙中有黑洞存在,但是假如突然有一天,有人問你黑洞是什麼?估計你還真的回答不上來,可能在你的印象裡黑洞就是個吞噬一切的洞,其實並不是你想的這樣,黑洞並不是一個洞,而是一個擁有無限密度和引力的天體,其實對於黑洞我們人類是一種好奇的狀態,科學家也一直在了解黑洞,在不久之前,科學家就發現其實在黑洞裡存在著另一個面,也就是我們通常所說的事件視界,有些人就對此提出了自己的疑問,如果人掉進了黑洞,那麼結果會怎樣?