人類又給黑洞拍照

2020-11-14 封面互娛

還記得去年發布的第一張黑洞照片嗎？

第一張黑洞照片：距離地球5500萬光年的Messier 87星系中心的巨大黑洞。是的，聽起來有點像奧特曼的快樂老家：M78星雲。

拍攝這張照片的數百名研究人員分享了基礎物理學突破獎的300萬美元獎金。他們沒有坐享功勞，而是在整整一年後的現在發布了黑洞射流的新圖像。

科學家拍攝發射高能噴射黑洞的詳細圖像

天文學家團隊對另一個黑洞又有了突破性觀測結果：獲得了一張由超大質量黑洞驅動的巨大等離子體射流的圖像。這張照片擁有前所未有的豐富細節。

研究小組說，圖像左側的明亮斑點應該是黑洞周圍盤旋的氣體和塵埃盤，等離子體射流由強度較低的紅色特徵流勾勒出來。

專家說，這種噴流是一種稱為「耀變體」的結構。

典型的耀變體——蝎虎座BL型天體PKS 2155-304的光學圖像

耀變體的物質噴射方向大概正好指向地球，就像手電筒的光束一樣。

耀變體是活動星系核中最亮的一種，它由類星體形成，類星體是一類活躍地吸收物質的超大質量黑洞。它們在旋轉時會逐漸捲起磁場，從而導致黑洞周圍的物質被朝兩端射出，形成強大的γ射線相對論噴流，其亮度足以跨越宇宙被我們觀測到。

「繞著黑洞的許多物質註定要穿越事件視界，再也不會返回，但是其中一些可以沿著穿過黑洞的強大磁力線發射，這就是射流的本質。」該研究的合著者，倫敦大學學院的Ziri Younsi博士說。

他補充說：「黑洞不僅吞噬了很多物質，而且還吐出了很多東西，因為它們被高度磁化並且旋轉得如此迅速。」

研究小組說，至關重要的是，該圖像是超大質量黑洞周圍噴流的最高解析度，這意味著研究人員可以首次查看噴流底部附近發生的情況。特寫圖像顯示了黑洞附近的斑點，該斑點似乎稍微偏離了射流其餘部分的軸線。Younsi說：「它被抵消了好幾度。」

這意味著射流的底部可能存在某種「扭結」，或者是因圍繞射流而扭曲的物質。斑點也可能是圍繞和進入黑洞的氣體和塵埃形成的的圓盤邊緣的一部分。

但仍有些問題懸而未決，比如，射流的等離子體究竟由什麼構成？射流與黑洞如何耦合？

該圖像發表在《天文學與天體物理學》（ Astronomy & Astrophysics）雜誌上，由「事件地平線望遠鏡」計劃（Event Horizon Telescope，簡稱EHT）拍攝。這個龐大的研究計劃該團隊由哈佛大學和史密森尼大學天體物理學中心的科學家領導，包含8臺射電望遠鏡，以及遍布全球的一大批研究人員。

研究小組說，這個黑洞是類星體3C 279的一部分，比銀河系中心的黑洞大200倍。這個類星體位於處女座星系中，距我們50億光年遠。

Younsi說： 「通常在這個距離上我們看不到任何東西，因為到了我們這兒的時候，光線一般已經紅移太多了。」

「但是由於這次幾乎是直接朝著我們噴射的，所以所有方面的輻射都被增強了，它看起來比實際要亮得多，因此我們能夠檢測到它。」

射流指向地球，這也解釋了另一個有趣的問題–為什麼射流的行進速度（看起來）比光速快15-20倍。

Younsi說：「這是一種投影效果。」他指出，這架噴氣飛機實際上傳播的速度約為光速的0.995倍。

這項新作品並不是「事件地平線望遠鏡」計劃發布的第一張令人驚嘆的圖像：去年，該團隊發布了黑洞的第一張圖像，揭示了黑洞熾熱的氣體和塵埃光環。

但是Younsi說，新的圖像對物理學家來說更加令人興奮。他說：「這是我們第一次真正看到射流與黑洞和（氣體和塵埃）吸積盤的連接。」 「它將使我們可以開始回答有關黑洞如何為射流供能，黑洞如何進食，黑洞如何生長的問題。」

Younsi說，新圖像標誌著即將到來的一系列發現。

M87黑洞：「指環王」

這項研究的結果發表在《科學進展》(Science Advances)期刊上。研究人員檢測了 M87的圖像，特別是其中佔主導地位的黃金環。

他們指出，正如廣義相對論理論所預測的那樣，這個環應該包含一個由較小環組成的子結構，而 EHT無法解析這個子結構。在這個環的子結構中，有關於這個黑洞的信息。

愛因斯坦的廣義相對論用來預測黑洞的性質，他說在這個亮環內應該有一個「光子環」，它由一系列類似的子環組成。

哈佛天體物理學中心的Michael Johnson解釋說：「黑洞的圖像實際上包含一系列嵌套的環。」 「每個相繼的環都具有相同的直徑，但變得越來越尖銳，因為它的光在到達觀察者之前繞黑洞繞了多次。

使用當前的EHT圖像，我們僅僅只是瞥見了任何黑洞圖像中應該出現的全部複雜性。

黑洞的圖像在由黑洞投射的「陰影」周圍具有明亮的發射環。該環由一堆越來越尖的子環組成，這些子環與光子到達觀察者之前圍繞黑洞的軌道數相對應

由於黑洞周圍的光子也無法逃脫它的引力，所以黑洞在圍繞它的氣體和灰塵的明亮發射上投射了陰影，並逐漸落到其表面上。在此陰影周圍是一圈光子環，該光子環是由黑洞附近事件視界之外的強大重力作用產生的。

下面這個動畫顯示了如何從這些子環以及形成該圖像的光子軌跡中形成黑洞圖像。也許，關於這些環的一個更令人震驚的啟示是，廣義相對論告訴我們，每個環都是由捕獲的光子組成的。

可以科學上網的朋友可以移步這個油管視頻：https://youtu.be/I4LolZ27l3E

結合理論與實驗：黑洞物理學迎來高光時刻


「來自不同領域的專家匯聚一堂，使我們能夠將對光子環的理論理解與觀察的可能性真正聯繫起來，」伊利諾伊大學香檳分校物理學研究生George Wong說。

Wong的軟體用於生成模擬的黑洞圖像，比以前計算的解析度更高。

在EHT的組合功率上增加另一個望遠鏡可以使天文學家分辨單個環。

EHT去年四月拍攝的第一張黑洞圖像和剛剛披露的黑洞射流新圖像，其最令人驚喜之處也許在於，它們改變了黑洞研究的方式：黑洞研究從此從純粹的理論領域轉向依賴實驗科學。

人類對黑洞的思考，終於從抽象想像和理論推演，進化到拿望遠鏡觀測的時代了。

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