超越黑洞:事件視界望遠鏡解開了許多我們不知道的類星體之謎

2020-12-03 南城boywj

暢遊科學海洋,共尋宇宙之妙,大家好,我是南城~

差不多一年前的今天,事件件視界望遠鏡合作組織發布了黑洞事件的第一張圖像。它的發布標誌著我們第一次直接觀測到了黑洞,在黑洞中,非常多的物質集中在一個很小的體積中,其吸引力之大甚至連光也無法從中逃逸。

那一次的觀測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,其中就包括類星體3C279

藉助「事件視界望遠鏡」的空前解析度,類星體的起源之謎也首次被揭示。儘管它與理論上的預測相符,但一些細節部分還是給了我們很大的驚喜。

當類星體被首次發現時,對於我們而言簡直是一種不可思議的神秘物體。

類星體是宇宙中能量最高的輻射源之一,但它們在其他波長的光中是完全看不見的,這也是為什麼一開始我們沒能發現它們的存在。而隨著我們觀測工具的改進,望遠鏡便開始能發現容納這些類星體的星系了。

一開始我們對類星體的種種猜測都在被證實,比如我們猜想在這些星系的中心應該有一個超大質量的黑洞,而且會主動捕食的周邊的事物。它們周邊應該具有吸積盤和物質流,因為周邊的物質會被超大質量黑洞加速(但僅被部分吞噬),並且其中許多下落的物質會通過這些超強大的速度被噴出。

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噴流的觀測的解析度,以期確切的了解是什麼物理過程在推動這種超高光度輻射的產生。而隨著事件地平線望遠鏡的問世,我們終於有了更好的工具可以完成這項工作。

事件視界望遠鏡不是單個望遠鏡,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,其中最廣泛和最全面的是阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA),它本身由66架單獨的望遠鏡組成。

所有這些望遠鏡都通過原子鐘相互同步,從而使它們的觀測相互結合。當事件視界望遠鏡以最佳效率運行時(當將大氣影響降至最低,數據乾淨時,可以忽略或減去所有誤差源時),它就可以看成只是一臺望遠鏡,而其:

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

最後一部分——解析度是使事件視界望遠鏡如此強大的主要原因。

一個圓為360度,每個度數為60弧分,每個弧度為60弧秒,肉眼看不見的解析度大約為1弧分。哈勃太空望遠鏡等超強大的天文臺可以將識別靈敏度精確到到十分之一弧秒。

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)所敏感的光波長,但地球的直徑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個微弧度的特徵秒,比哈勃看到的靈敏度高1000倍以上。

2019年,當梅西埃87號星系核心超大質量黑洞的第一張標誌性圖像被發布時,類星體3C 279中心區域的一組圖像也被發布了,它們位於距黑洞約50億光年遠處。而導致我們獲得黑洞圖像的同一觀測過程中拍攝到這些圖像的是在該類星體的核心中的兩個獨立的「斑點」光。

這對於理解我們要說的的東西非常重要。朝向圖像底部的橙色光是類星體周圍常見的兩種物質噴射之一的起點,其起源於黑洞,這個黑洞的質量估計比太陽大十億倍。但是從大約50億光年的距離中,我們可以看到,與較低的一個光斑與的較高的一個光斑相隔不到半個光年。

我們第一次看到的是活動黑洞周圍的吸積盤。事件視界望遠鏡拍攝到的那個上部斑點表明,射流的底部呈扭曲形狀,並且還顯示出與射流本身垂直的特徵。

這些垂直特徵的初步解釋可能是顯示吸積盤,而射流是從該盤的兩極中噴出的。這是值得注意的,原因有二:

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(直到現在)還沒有發展到可以確認或反駁這一點的程度。根據黑洞的大小,我們期望在幾個小時的時間尺度上看到這些電磁特徵的時變,並且在多天拍攝的多幅圖像的確顯示了這些時變,以前只能在數字中看到模擬。

更引人注目的是,科學家可以隨時間在空間上跟蹤這些噴流的運動,這些運動應該與單個電子的運動相對應。雖然這些電子的速度應該受到光速的限制,但是這個射流卻以光速的20倍傳播,這對跟蹤這些噴流運動的想法是一個挑戰。這個項目的首席研究員Thomas Krichbaum 對此感到非常興奮,他說:

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的等離子體具有不穩定性。3C 279是天文學中顯示超光速運動的第一個來源,近五十年後的今天,仍然給我們帶來一些驚喜。

「超光速運動」可能只是一種視覺上的錯覺,但要了解為什麼存在這種垂直結構,則為科學家們製造了一個更深層次的難題。圍繞超大質量黑洞的吸積盤從未像現在這樣成像過,如果這是我們在這裡真正看到的,那麼這個發現可能就是我們的宇宙「羅塞塔石碑」,因為它為我們揭示了黑洞為類星體提供動力這一重要線索。

事件視界望遠鏡合作組織原本希望在今年的3月到4月進行另一場觀測活動,但是新冠病毒的爆發使該活動取消了。但是,目前正在分析2017年和2018年的增強版數據,並計劃在2021年3月開展一個擴展的事件視界望遠鏡觀測活動,該活動共有11個獨立觀測站。

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,了解了我們有史以來的第一個類星體事件。但是另一個比類星體3C279遠100倍的高度可變的類星體卻沒被觀測到,希望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。

如果沒有全球的合作以及對基礎科學事業的資助,那麼像事件地平線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,我們將可以發現和解決我們以前從未知道過的謎團。

謝謝大家耐心看完,是不是想說點什麼呢,歡迎轉發評論哦!我們下期再見~

相關焦點

  • 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
    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。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。
  • 視界望遠鏡再次取得重大突破!發現類星體黑洞噴流之謎!
    好消息,曾拍攝黑洞首張照片的視界望遠鏡發現了類星體內部奇怪的黑洞噴流之謎!事件視界望遠鏡(EHT)在2019年4月10日拍攝到了人類歷史上首張黑洞照片,成功載入史冊!與此同時,事件視界望遠鏡正在收集數據以創建第一張黑洞圖像,同時它也在觀察一個更奇怪的物體,並成功取得突破進展。
  • 全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?
    針對黑洞的研究,科學家們使用的是一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)的由多個射電望遠鏡形成的網絡。根據名稱不難看出,它嘗試觀測的實際上是黑洞的「事件視界」。正如上文所述,我們可以把事件視界理解成是一種時空的界線。
  • 英媒:科學家首次用尖端事件視界望遠鏡嘗試拍攝黑洞邊緣
    參考消息網4月10日報導 英媒稱,圍繞黑洞的未解之謎可能終於要被解開了。天文工作者不久將首次嘗試聚焦於這種天體現象的邊緣。據英國《每日快報》網站4月5日報導,研究人員將利用事件視界望遠鏡來設法了解銀河系核心的黑洞。這個黑洞即「人馬座A*」,其質量是太陽的400萬倍。
  • 黑洞事件視界望遠鏡拍攝史無前例的黑洞射流圖像
    事件視界望遠鏡運用長基線幹涉法長基線幹涉法(VLBI)最著名的用途來自事件視界望遠鏡,這是一個全球性協作天文臺,八臺射電望遠鏡在2017年採集了兩周的數據,該合作組織於去年4月提供了現成的銀河系M87中心的圖標圖像。根據今天發表在《天文學和天體物理學》上的研究,儘管M87影像幫助科學家更好地了解了射流的形成,但它並未直接將黑洞與其射流聯繫起來。但是他們也觀察到了其他目標,包括數十億光年以外的稱為類星體 3C 279的明亮無線電波源。
  • 全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類...
    針對黑洞的研究,科學家們使用的是一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)的由多個射電望遠鏡形成的網絡。根據名稱不難看出,它嘗試觀測的實際上是黑洞的「事件視界」。正如上文所述,我們可以把事件視界理解成是一種時空的界線。
  • 科普:「事件視界」和「事件視界望遠鏡」——探尋黑洞的蛛絲馬跡
    新華社北京4月10日電(記者郭爽)在黑洞周圍,光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」。對這個特殊區域,人類動用口徑相當於地球直徑的「虛擬望遠鏡」,探尋黑洞留下的種種「蛛絲馬跡」。根據著名理論物理學家霍金的理論,黑洞「事件視界」並非「有去無來」的單行車道。儘管物體一旦被吸入黑洞就會永遠消失,但如果經過數十億年的時間,黑洞可能會「滲出」一些被吸入物質的蛛絲馬跡。由於黑洞非常遙遠且半徑很小,以往設施沒有足夠的解析度來直接觀測黑洞,而是用觀察周圍恆星運動、吸積盤和噴流乃至引力波等間接方法來進行探測。
  • 全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類...
    針對黑洞的研究,科學家們使用的是一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)的由多個射電望遠鏡形成的網絡。根據名稱不難看出,它嘗試觀測的實際上是黑洞的「事件視界」。正如上文所述,我們可以把事件視界理解成是一種時空的界線。
  • 黑洞照片怎麼拍的 黑洞照片具體拍攝手法 事件視界望遠鏡是什麼
    德國馬克斯·普朗克射電天文研究所所長安東·岑蘇斯對記者說,集合全球射電望遠鏡給黑洞拍照,有助於探索宇宙形成之謎。人類首次拍攝到的黑洞照片10日將在全球多地同時發布,岑蘇斯作為項目協作委員會主席及照片數據分析機構的負責人主持比利時布魯塞爾的新聞發布會。發布會前夕,岑蘇斯在德國波恩接受記者專訪時介紹,這個項目的主要任務是拍攝兩個黑洞。
  • 事件視界望遠鏡計劃再發布新圖像,拍攝超強大黑洞噴流結構
    去年4月,事件視界望遠鏡國際團隊發布了首張「直接對黑洞成像」的照片,驚豔全球;今年4月,該計劃下另一團隊也發布了一張壯觀圖像:遙遠耀變體的電漿噴流結構。耀變體(blazar)為目前宇宙中已觀測到最劇烈的天體活動現象之一,屬於活躍星系核一種,被假定是位於宿主星系中央的超大質量黑洞;而在距離地球50億光年處有個光學劇變類星體(耀變體的次分類)3C 279,其中心是一個相當活躍的超大質量黑洞,它吸食附近恆星物質形成吸積盤、大量氣體不斷落入盤面,導致該黑洞在望遠鏡眼中極度明亮且閃爍不停;同時,該黑洞也以相對論性噴流形式將一些氣體噴回太空中
  • 公布的首張黑洞照片是怎麼拍的?什麼是事件視界望遠鏡?
    公布的首張黑洞照片是怎麼拍的?什麼是事件視界望遠鏡?不久前,天文學界發表了人類歷史上第一張黑洞照片。這張照片是數百名科學家經過十多年努力的研究成果,因此引起了全球的關注。那麼,讓我們一起研究下公布的首張黑洞照片是怎麼拍的呢?
  • 事件視界望遠鏡即將拍攝墜入黑洞的物質!
    這張位於M87星系中心的黑洞圖片登上了世界各地的頭版新聞。項目負責人在美國物理學會4月會議上說,事件視界望遠鏡(EHT)很快就會製作出第一部關於這種熱氣體在陰影周圍混亂旋轉的影像。EHT不是一個單一的望遠鏡,相反,它是一個由世界各地射電望遠鏡組成的網絡,它們一起對無線電波進行精確定時的記錄,這些記錄可以組合起來,使不同的望遠鏡成為一個整體。
  • 科普:「事件視界」和「事件視界望遠鏡」
    新華社北京4月10日電(記者郭爽)在黑洞周圍,光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」。對這個特殊區域,人類動用口徑相當於地球直徑的「虛擬望遠鏡」,探尋黑洞留下的種種「蛛絲馬跡」。根據著名理論物理學家霍金的理論,黑洞「事件視界」並非「有去無來」的單行車道。儘管物體一旦被吸入黑洞就會永遠消失,但如果經過數十億年的時間,黑洞可能會「滲出」一些被吸入物質的蛛絲馬跡。由於黑洞非常遙遠且半徑很小,以往設施沒有足夠的解析度來直接觀測黑洞,而是用觀察周圍恆星運動、吸積盤和噴流乃至引力波等間接方法來進行探測。
  • 一文讀懂 2020 諾貝爾物理學獎:超越愛因斯坦的突破,黑洞和銀河系...
    這個看不見的物質大約有 400 萬個太陽質量那麼重,但體積卻和我們的整個太陽系差不多。是什麼使得銀河系中心附近的恆星以如此驚人的速度旋轉呢?根據當前的引力理論,可能的解釋只有一個:那就是超大質量黑洞。超越愛因斯坦的突破廣義相對論之父愛因斯坦本人曾經也不認為黑洞會真的存在。
  • 百度今日Doodle:事件視界望遠鏡公布第一張「黑洞」影像
    理論上,「黑洞」是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體,它具有超強的引力,就算是光也無法逃逸。沒有光就無法成像,正因為它不反射光也不發射光,所以我們無法用肉眼或者拍攝技術觀察到「黑洞」。電影《星際穿越》中的黑洞顯示出事件視界(來源:鳳凰科技)因此,從理論上講,給「黑洞」本體拍照,基本上是不可能實現的。但是,科學家可以拍攝到「黑洞」外圍的混沌狀態,就是「黑洞」的事件視界。
  • 黑洞照片的背後英雄 事件視界望遠鏡
    雖然被稱為「望遠鏡」, 但事件視界望遠鏡(EHT,Event Horizon Telescope)其實是2016年天文學家們發起的一項國際觀測項目, 由全球分布的8個射電望遠鏡組成觀測陣列。這些望遠鏡從南到北橫跨7000千米左右,從東到西跨越的距離也差不多,就是如果將它們彼此連線串聯起來,它們組成的面積將和地球的視直徑差不多,這些望遠鏡通過甚長基線幹涉測量技術(VLBI) 同時觀測某個黑洞,基本上可以看作以地球的視面積範圍上觀察,因此事件視界望遠鏡(EHT)也被稱為「地球一樣大的望遠鏡」。
  • 什麼是黑洞事件視界,那裡發生了什麼?
    模擬的電子在旋轉黑洞事件視界附近的行為事件視界望遠鏡項目發布了其黑洞成像計劃的第一批結果,但究竟什麼是事件視界呢?黑洞的事件視界與物質的逃逸速度有關,逃逸速度就是一個物體脫離黑洞的引力所需要達到的速度。物質越越近黑洞,逃離黑洞引力所需要的速度就越大。
  • 事件視界望遠鏡
    然而,愛因斯坦的預言都是在弱引力場情形下的預言,廣義相對論尚未在諸如黑洞附近這樣引力極強環境下得到檢驗。目前,事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope, EHT)將對銀河系中心的黑洞,即人馬座A*的視界進行高解析度觀測,從而驗證廣義相對論對強引力場是否適用。
  • 黑洞公告!事件視界望遠鏡將於周三首次公布「黑洞圖片」
    事件視界望遠鏡(EHT)的科學家們日前宣布,世界上第一張黑洞圖片將在兩天之後向公眾公布。黑洞:有史以來第一張黑洞圖片將於本周公布。這一突破性的成就將於4月10日星期三在一系列同時舉行的新聞發布會上公布。天文學家將首次展示銀河系中心的超大質量黑洞,這一壯舉直到最近才被認為是不可能的。
  • 事件視界--黑洞不是「洞」
    該勢力範圍被稱作黑洞的半徑或被稱作「事件視界」。「等一下,真的有黑洞嗎?你是如何確認黑洞存在的?」這樣的問題,路如森曾不止一次被問及:「黑洞的名字,乍一聽,黑的洞,那是不是就表明『沒法看見』;如果沒法看見,那怎麼就知道它存在呢?」事實上,在這次「拍照」前,天文學家們已經通過多種間接的證據來證明黑洞的存在。路如森向記者列舉了其中主要的三類代表性證據。