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时隔两年,黑洞又有了新照片,还是高清的

日期: 2021-03-27 15:01:39    来源: 中国网   编辑:晓曼   
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当你凝视深渊的时候,深渊也在凝视着你。科学家们解析出这张图片花费了近两年时间。

3 月 24 日,曾成功捕获人类有史以来首张黑洞照片的事件视界望远镜(EHT)合作组织宣布,天文学家第一次在接近黑洞边缘处测得了表征磁场特征的偏振信息。新研究的参与者来自全球多个机构、大学,数量超过 300 人,中国科学院上海天文台的 8 位研究者参与了此次合作。
直接接近黑洞边缘观测,在几个史瓦西半径尺度上探索黑洞周围的时空特性和物理过程,这是人类对认识宇宙手段的一次重大突破。EHT 合作成员、美国普林斯顿理论科学中心和 NASA 哈勃研究员 Andrew Chael 表示:「最新公布的偏振图像是理解磁场如何让黑洞『吞噬』物质并发出能量巨大的喷流的关键。」
这个位于 M87 星系中的黑洞质量大约是太阳的 65 亿倍,距离地球约 5300 万光年。

M87 星云(图正中)在室女座中的远景,图片来自欧洲南方天文台。
黑洞是现代广义相对论中,宇宙空间内存在的一种密度极大、体积相对极小的天体。它是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。
黑洞的引力很大,连光都无法逃脱,而且自身不发光,因此无法直接观测。但是,人类可以借助间接方式(比如观察吸积盘和喷流)得知其存在与质量,并且观测到它对其他事物的影响。
2019 年 4 月 10 日,一个由 30 多个研究机构组成的科学家团队「拍」到了黑洞的第一张照片。为了「拍摄」这张照片,他们用到了全球不同地区的 8 个射电望远镜,这些望远镜模拟出了一台地球大小的超级望远镜——事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)。

人类拍到的第一张黑洞照片。
被拍到的黑洞位于室女座一个巨椭圆星系 M87 的中心。它的核心区域存在一个阴影,周围环绕一个新月状光环。
M87 星系由于距离地球较近,且中心黑洞质量大,是天文学家最热衷观测和研究的目标之一。该星系由核心发出一道向外延伸约至少 5000 光年的高能等离子喷流,运动速度达相对论速度,这是该星系最神秘、最壮观的特征之一。大部分靠近黑洞边缘的物质都会落入其中。然而,周围也有一些粒子会在被捕获前的瞬间逃逸并以喷流的形式向外传播。
时隔两年,这个研究团队又取得了新的进展,给出了一幅黑洞在偏振光中的新照片。这张照片基于 2019 年首张黑洞照片的同一批数据,提供了关于黑洞周围磁场以及那些远离 M87 混沌中心的磁场的关键信息。这是第一次有研究组能够在接近黑洞边缘的地方测量偏振。

这就是最新「高清版」的黑洞照片
这张照片是一组新研究的产物,与之相关的两篇论文发表在《Astrophysical Journal》杂志上。Harvard-Smithsonian 天体物理学中心天文学家 Sheperd Doeleman 说道:「这就像戴上一副偏光眼镜观察太阳一样,突然之间你就发现了事情的本质。」

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe71d

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe4de
偏振是什么?为什么如此重要?在回答这个问题之前,我们先来复习一下基本的光学知识。光有电场和磁场,可以在各个方向上振动。但偏振光不同,它只在一个方向上振动。当光离开恒星或黑洞周围巨大明亮的圆盘状气体和碎片时,大多数光是不偏振的,但宇宙中的尘埃、等离子体、磁场等都可能把正常光转变成偏振光。因此,我们可以通过探测偏振的方式了解黑洞周围的环境特征。

第一张黑洞照片像一只模糊的索伦之眼:一圈橙黄色的光环绕在一个黑点周围。这些光来自黑洞周围的一圈碎片和其他物质。其中一些物质会滑入黑洞,永远从我们的视线里消失,但还有一些会被喷射出来,形成所谓的「宇宙喷流」。
M87 的物质喷流以接近光速的速度喷射出去,向太空延伸了近 5000 光年,但它的形成方式依然是个谜。

从 M87 中心发出的喷流。黄色的线表示喷流中存在的磁场。
新的观察结果提供了一种可能的解释。
科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家、EHT 理论工作组成员 Jason Dexter 说:「新的研究表明,黑洞边缘的磁场足够强大,可以将热气流喷射出去并帮助其抵抗黑洞引力…… 只有穿过磁场的气体才能螺旋向内进入视界。」
最接近黑洞的磁场可能非常极端,它们将边缘的物质炸开,然后将其集中到我们从 M87 中观察到的巨大喷流中。
「事件视界望远镜」其实不是一个单独的设备,它是由位于全球各地的八个望远镜组成的体系。它就像一个与地球一样大的虚拟望远镜,捕获从 M87 周围逃逸的光线,提供解决这一问题所需的分辨率,只有这样我们才能观察数百万光年以外的天体。

智利的阿塔卡玛大毫米波干涉阵列(ALMA)是合作中较为特殊的一组望远镜,它是由美国、欧洲和日本共同建设的超大型毫米波和亚毫米波干涉阵列,它以偏振光的形式揭示了黑洞中的喷流,展示了磁力线的形状。
它还观察了银河系中心的超大质量黑洞「Sgr A*」以及其他十几个超大质量黑洞,发现这些极其明亮、朝向地球的喷流受到了强烈的偏振,研究人员假设其原因可能是因为它们面对的方向。

黑洞特性的可视化,图片来自 NASA。
黑洞的照片令人着迷,但围绕这一壮观的天体,还有太多未解之谜。随着越来越多天文台的加入,研究网络还在不断升级,EHT 将提供进一步的机会来研究最靠近 M87 和 Sgr A* 的区域。
「通过对阵列进行技术升级、增加新的观测台站,EHT 还在迅速发展中,」EHT 合作成员、台北中研院天文与天体物理研究所东亚核心天文台联盟研究员朴永和表示。「我们期待未来的 EHT 观测能更准确地揭示黑洞周围的磁场结构,并告诉我们更多关于这一区域热气体的物理性质。」
参考链接:https://www.cnet.com/news/tornado-like-beast-winds-with-speeds-of-900-mph-spotted-on-jupiter/
https://www.nytimes.com/2021/03/24/science/astronomy-messier-87-black-hole.html
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