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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。
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