天文學家揭示了超大質量黑洞的第一個直接視覺證據

2020-12-05 專注科學時事

事件地平線望遠鏡(EHT)運作著一個行星級陣列,該陣列由八個連結在一起的地面射電望遠鏡組成。黑洞凸輪(BHC)團隊由法蘭克福歌德大學的天體物理學家,波恩的馬克斯-普朗克射電天文學研究所(MPIfR)和荷蘭奈梅亨的拉德布德大學領導,是這項合作的一部分。天體物理學中心的EHT項目負責人Sheperd S. Doeleman說:「我們正在為人類提供有關黑洞的第一個視角-通往我們宇宙的單向門。」 哈佛和史密森尼學院。「這是天文學的裡程碑,這是由200多名研究人員組成的團隊完成的一項空前的科學壯舉。」黑洞是質量非常大但尺寸非常緊湊的非凡宇宙物體。這些物體的存在會以極端的方式影響其環境,扭曲時空並使所有周圍的物質過熱從而發光。廣義相對論預測,受熱物質將照亮極度扭曲的時空,使暗影可見。EHT主席解釋說:「如果將其浸入明亮的區域,例如一盤發光的氣體,我們會期望黑洞會形成類似於陰影的黑暗區域-這是愛因斯坦廣義相對論所預測的,這是我們從未見過的。」荷蘭Radboud大學科學理事會Heino Falcke。「這個陰影是由重力彎曲和事件視界捕獲的光引起的,它揭示了這些引人入勝的物體的本質,使我們能夠測量M87黑洞的巨大質量。」 M87中心的黑洞的質量超過60億太陽質量。

EHT的觀察確實顯示出一個環狀結構,其中心區域很暗-黑洞的陰影。該環出現在使用不同成像方法的多個單獨觀察結果中,並且彼此獨立地進行了分析。「一旦確定我們已經對陰影進行了成像,就可以將我們的觀察結果與廣泛的計算機模型進行比較,其中包括翹曲空間,過熱物質和強磁場的物理學。歌德大學理論天體物理學教授盧西亞諾·雷佐拉(Luciano Rezzolla)表示:「觀察到的圖像的許多特徵都非常符合我們的理論理解。」 「這使我們對觀察的解釋充滿信心,包括對黑洞質量的估計。」

盧西亞諾·雷佐拉(Luciano Rezzolla)領導的小組在整個觀測的每個階段都對結果的理論解釋做出了根本貢獻:使用超級計算機,他們模擬了物質如何圍繞環形圓盤(吸積盤)中的黑洞旋轉並被拉入,以及由於黑洞周圍極度引力而導致的光線彎曲方式。排除黑洞的各種替代方案也與廣義相對論兼容,這一點也很重要。「對於理論物理學家來說,理論與觀察的對抗始終是一個戲劇性的時刻。

意識到觀察結果與我們的預測非常吻合,這是一種滿足感和自豪感。」盧西亞諾·雷佐拉(Luciano Rezzolla)說。黑洞的第一個直接圖像需要望遠鏡具有前所未有的精度和靈敏度。這種望遠鏡-事件地平線望遠鏡-的實現是一個艱巨的挑戰,需要升級和連接部署在各種高海拔地點的八臺現有望遠鏡的全球網絡。這些地點包括夏威夷和墨西哥的火山,亞利桑那州和西班牙內華達山脈的山脈,智利的阿塔卡馬沙漠和南極洲。

EHT觀測使用一種稱為超長基線幹涉測量(VLBI)的技術,該技術可以同步世界各地的望遠鏡設施,並利用我們星球的旋轉來形成一個巨大的,地球大小的望遠鏡,其觀測波長為1.3mm。VLBI允許EHT達到20微秒的角解析度-足以從柏林的一家人行道上的咖啡館閱讀紐約的報紙。

IRAM主任兼EHT董事會成員Karl Schuster解釋說:「位於西班牙內華達山脈Pico Valeta的30米IRAM望遠鏡是EHT網絡中最敏感的單碟望遠鏡。」 「將四大洲最好的射電望遠鏡匯聚在一起,我們可以達到前所未有的靈敏度和空間解析度,從而使科學家們能夠在物理上極限的情況下進行測量。」 第二架IRAM望遠鏡法國阿爾卑斯山的NOEMA於2018年9月加入EHT網絡。EHT的構建代表了一項跨越多年的努力,並且是許多國家的研究人員開展全球團隊合作的典範。

13個合作機構共同創建了EHT。關鍵資金由歐盟的歐洲研究委員會(ERC),美國國家科學基金會(NSF)和東亞的資助機構提供。「經過數十年的研究,我們只能間接地推測黑洞,儘管精確度很高,直到LIGO在2015年,我們才能夠使合併黑洞對時空「可聽」產生影響,」麥可·克萊默(Michael Kramer)解釋說。是ERC黑洞凸輪項目的MPIfR主任和合作PI。「現在,我們終於可以'看到'它們,並以獨特的方式調查它們造成的時空極端彎曲。」這些結果標誌著我們了解決定銀河系形成和演化的基本過程的重要裡程碑。

值得注意的是,在該項目中,我們能夠將天文觀測及其理論解釋用於我們希望比預期更快的成功。未來,遠遠超出我們領域的科學家將清楚地記住這一發現前後的時間。」 MPIfR主任兼EHT合作委員會主席Anton Zensus預測。

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