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作者:森宁 来源:澎湃新闻 发布时间:2022/5/13 20:32:16
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科学家描述银河系中心黑洞:“温和的巨人”正在节食

 

随着银河系中心黑洞人马座A*的第一张直接图像的公布,参与这一观测项目的科学家们也透露了关于这个超大质量黑洞的更多信息。

美联社(www.apnews.com)援引参与到该项目天文学家们的描述称,这张图像并没有显示出一个贪婪的宇宙毁灭者,而更像是一个“温和的巨人”,正在近乎忍饥挨饿地节食。图像也证实了爱因斯坦的广义相对论——黑洞的大小正如爱因斯坦方程所规定,大小与水星绕太阳运行的轨道相近。

2022年5月12日,事件视界望远镜合作组织(Event Horizon Telescope Collaboration,以下简称“EHT”)发布了银河系中心的一个黑洞——人马座A*的直接图像。它的质量大约是太阳的400万倍,距离地球约2.6万光年。这幅图像是由世界各地8个同步射电望远镜收集数据后加工而成。

科学家们此前曾观测到银河系中心的恒星围绕着一些看不见的、致密的、质量极大的物体运行。这张图像提供了它的第一个直接的视觉证据。“现在我们有直接的证据表明这个物体是一个黑洞,”哈佛史密森天体物理学中心的天体物理学家萨拉·伊绍恩(Sara Issaoun)在德国加兴举行的新闻发布会上说。

在这一突破之前,EHT合作小组于2019年发布了位于更遥远的梅西耶87星系中心的一个名为M87*的黑洞的第一张图像。

现代广义相对论中,黑洞的引力极其强大,能够吞噬一切物质,“时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱。”但参与此观测项目的美国亚利桑那大学的天体物理学家费雷尔.厄齐尔(Feryal Özel)向美联社表示说,人马座A* 黑洞“吃得很少”。据另一位参与项目的天文学家表示,这相当于“一个人在几百万年里吃了一粒米。”

科学家们曾预计,相对梅西耶87星系中的黑洞而言,银河系的黑洞会更猛烈,但天文与天体物理科学家杰弗里·c·鲍尔(Geoffrey C. Bower)说,图像显示“这是一只胆小的黑洞狮子,”鲍尔同时表示,由于人马座黑洞“处于饥饿状态”,只有很少的物质落入黑洞中心,这使得天文学家能够观察得更深入。

“这个环的大小与爱因斯坦广义相对论的预测是如此的一致,这让我们很惊讶。这些观测前所未有,极大地提高了我们对银河系中心发生的事情的理解,并为这些巨大的黑洞如何与周围环境相互作用提供了新的启示。”鲍尔说。

历时5年的数据汇编成果

此次银河系中心黑洞人马座A*的图像成像数据收集于5年前。据《自然》(www.nature.com)的报道,2014年,荷兰奈梅亨大学的天体物理学家海诺·法尔克(Heino Falck)、美国马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的谢普·杜尔曼(Shep Doeleman)和来自世界各地的团体联合,成立了EHT合作组织。他们在2017年进行了第一次跨越地球的观测活动。在2017年4月的五个晚上,EHT团队使用了全球八个不同天文台的射电望远镜,观测收集了银河系的黑洞人马座A *、以及更遥远的梅西耶87星系中心的一个名为M87*的黑洞的数据。

从西班牙到南极,从智利到夏威夷——每个观测站收集的数据都比大型强子对撞机一年收集的数据还要多。数据最后加起来将近4pb (1pb=1000tb),量大得以至于无法通过互联网发送,最后不得不储存在硬盘中,通过空中、海上和陆地传输,然后在德国波恩的马克斯·普朗克射电天文学研究所(Max Planck Institute for Radio Astronomy)和位于韦斯特福德的麻省理工学院干草堆天文台(Haystack Observatory )进行汇编。

2019年,EHT研究人员首先公布了M87*黑洞的图像,这是关于黑洞存在的第一个直接证据,但人马座A*的数据分析起来更具挑战性。这是因为,绕M87*旋转的物质团发出的辐射在短时间内基本上是恒定的,而围绕人马座A*的物质团可以在EHT每天观察的几个小时内迅速变化。“在M87*黑洞,我们发现物质团在一周内几乎没有变化,”海诺·法尔克说, “但物质团围绕人马座变化的时间跨度为5到15分钟。”

由于这种可变性,EHT团队生成的人马座A*的图像不止一张,而是数千张,日前公布的这张图像是大量数据经过处理的结果。位于西班牙格拉纳达的安达卢西亚天体物理研究所的EHT成员何塞.戈麦斯(José Gómez)说:“我们将它们平均起来,强调共同的特征。”费雷尔.厄齐尔表示,该项目的下一个目标是拍摄黑洞的“影片”,以了解其更多物理特性。

在分析数据的同时,EHT团队进行了超级计算机模拟,与收集到的数据进行了比较,并得出结论。人马座A*可能沿着大致指向地球的轴线旋转,旋转的方向为逆时针,何塞.戈麦斯说。

美国马里兰州格林贝尔特NASA-戈达德太空飞行中心的天体物理学家雷吉娜·卡普托(Regina Caputo)表示:“让我震惊的是,我们看到了它的正面。”此前,卡普托合作过的美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜,已经检测到银河系中心上方和下方的巨大发光特征,这可能是由人马座A*在过去的剧烈活动期间产生的。不过,这些被称为“费米气泡”( Fermi bubbles)的特征,似乎要求物质从地球上看是绕着黑洞侧面旋转,而不是正面。

如何用地球大小的望远镜寻找黑洞

1970年代,天文学家们发现了人马座A*黑洞存在的第一个迹象,当时射电天文学家在银河系的中心区域发现了一个看似点状的射电源。

这个光源异常暗淡,比普通恒星还要暗。研究者通过跟踪恒星围绕人马座A*的轨道进行计算发现,射电源的质量和密度如此之大,只可能是一个黑洞。(最近的测量结果表明,它的质量是太阳的415万倍,误差为0.3%。)这个研究成果让美国天文学家安德里亚·盖兹(Andrea Ghez)和德国天体物理学家莱茵哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)获得了2020年诺贝尔物理学奖。

由于星系中的尘埃和气体,科学家们无法通过光学望远镜观察到人马座A*。但从20世纪90年代开始,海诺·法尔克和其他人意识到,黑洞的阴影可能刚好大到可以用无线电短波成像,而无线电短波可以穿透黑洞的面纱。但研究人员计算,要做到这一点,需要一个地球大小的望远镜。幸运的是,干涉测量技术(interferometry)可以提供帮助。它需要将多个距离遥远的望远镜同时对准同一个物体,这些望远镜就像是一个大圆盘的碎片。

天文学家们第一次尝试用干涉测量法观测人马座A*时,使用的是相对较长的7毫米无线电波,由于观测站之间相隔几千公里,最后能看到的只是一个模糊的点。

其后,世界各地的团队改进了技术,翻新改造了一些主要的天文台,以便把它们加入到联合网络中。特别地,谢普·杜尔曼领导的一个小组利用了南极望远镜,以及位于智利的价值14亿美元的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)来完成这项工作。2008年,杜尔曼的团队还使用更有技术难度的1.3毫米波长进行了首次观测。

希望未来能发现黑洞的喷流

EHT在2018年收集了更多数据,但他们取消了2019年和2020年的观测活动。团队在2021年和2022年恢复观测,并再次改进了观测网络,使用了更精密的仪器。

位于图森的亚利桑那大学的EHT成员Remo Tilanus说,在今年3月份,该小组最新观测记录的信号速度是2017年的两倍,这应该有助于提高最终图像的分辨率。

研究人员还希望发现人马座A*黑洞是否有喷流。许多黑洞,包括M87*,都显示出了两束向相反的方向快速喷射的物质,这或许是由于内落气体的剧烈加热造成。银河中心上方和下方的热物质云表明,人马座A*在过去可能有巨大的喷流。它的喷射流现在或许弱得多,但它们的存在仍然可以揭示银河系历史的重要细节。

“这些喷流可以抑制或诱导恒星的形成,它们可以改变化学元素的位置,并影响整个星系的演化,”法尔克说,“我们现在正研究喷流发生的位置。”

 
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