時隔兩年,黑洞又有了新照片,還是高清的
2021年03月26日07:02

原標題:時隔兩年,黑洞又有了新照片,還是高清的

機器之心報導

機器之心編輯部

當你凝視深淵的時候,深淵也在凝視著你。科學家們解析出這張圖片花費了近兩年時間。

3 月 24 日,曾成功捕獲人類有史以來首張黑洞照片的事件視界望遠鏡(EHT)合作組織宣佈,天文學家第一次在接近黑洞邊緣處測得了表徵磁場特徵的偏振信息。新研究的參與者來自全球多個機構、大學,數量超過 300 人,中國科學院上海天文台的 8 位研究者參與了此次合作。

直接接近黑洞邊緣觀測,在幾個史瓦西半徑尺度上探索黑洞周圍的時空特性和物理過程,這是人類對認識宇宙手段的一次重大突破。EHT 合作成員、美國普林斯頓理論科學中心和 NASA 哈勃研究員 Andrew Chael 表示:「最新公佈的偏振圖像是理解磁場如何讓黑洞『吞噬』物質併發出能量巨大的噴流的關鍵。」

這個位於 M87 星系中的黑洞質量大約是太陽的 65 億倍,距離地球約 5300 萬光年。

M87 星雲(圖正中)在室女座中的遠景,圖片來自歐洲南方天文台。

黑洞是現代廣義相對論中,宇宙空間內存在的一種密度極大、體積相對極小的天體。它是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡後,發生引力坍縮產生的。

黑洞的引力很大,連光都無法逃脫,而且自身不發光,因此無法直接觀測。但是,人類可以借助間接方式(比如觀察吸積盤和噴流)得知其存在與質量,並且觀測到它對其他事物的影響。

2019 年 4 月 10 日,一個由 30 多個研究機構組成的科學家團隊「拍」到了黑洞的第一張照片。為了「拍攝」這張照片,他們用到了全球不同地區的 8 個射電望遠鏡,這些望遠鏡模擬出了一台地球大小的超級望遠鏡——事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope,EHT)。

人類拍到的第一張黑洞照片。

被拍到的黑洞位於室女座一個巨橢圓星系 M87 的中心。它的核心區域存在一個陰影,周圍環繞一個新月狀光環。

M87 星系由於距離地球較近,且中心黑洞質量大,是天文學家最熱衷觀測和研究的目標之一。該星系由核心發出一道向外延伸約至少 5000 光年的高能等離子噴流,運動速度達相對論速度,這是該星系最神秘、最壯觀的特徵之一。大部分靠近黑洞邊緣的物質都會落入其中。然而,周圍也有一些粒子會在被捕獲前的瞬間逃逸並以噴流的形式向外傳播。

時隔兩年,這個研究團隊又取得了新的進展,給出了一幅黑洞在偏振光中的新照片。這張照片基於 2019 年首張黑洞照片的同一批數據,提供了關於黑洞周圍磁場以及那些遠離 M87 混沌中心的磁場的關鍵信息。這是第一次有研究組能夠在接近黑洞邊緣的地方測量偏振。

這就是最新「高清版」的黑洞照片

這張照片是一組新研究的產物,與之相關的兩篇論文發表在《Astrophysical Journal》雜誌上。Harvard-Smithsonian 天體物理學中心天文學家 Sheperd Doeleman 說道:「這就像戴上一副偏光眼鏡觀察太陽一樣,突然之間你就發現了事情的本質。」

論文鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe71d
論文鏈接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abe4de

不誇張地說,這是一個跨越百萬光年的研究:

從地球向 M87 中心看去,最終抵達黑洞。(來自歐洲南方天文台 European Southern Observatory,ESO)

偏振是什麼?為什麼如此重要?在回答這個問題之前,我們先來複習一下基本的光學知識。光有電場和磁場,可以在各個方向上振動。但偏振光不同,它只在一個方向上振動。當光離開恒星或黑洞周圍巨大明亮的圓盤狀氣體和碎片時,大多數光是不偏振的,但宇宙中的塵埃、等離子體、磁場等都可能把正常光轉變成偏振光。因此,我們可以通過探測偏振的方式瞭解黑洞周圍的環境特徵。

第一張黑洞照片像一隻模糊的索倫之眼:一圈橙黃色的光環繞在一個黑點周圍。這些光來自黑洞周圍的一圈碎片和其他物質。其中一些物質會滑入黑洞,永遠從我們的視線里消失,但還有一些會被噴射出來,形成所謂的「宇宙噴流」。M87 的物質噴流以接近光速的速度噴射出去,向太空延伸了近 5000 光年,但它的形成方式依然是個謎。
從 M87 中心發出的噴流。黃色的線表示噴流中存在的磁場。

新的觀察結果提供了一種可能的解釋。

科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家、EHT 理論工作組成員 Jason Dexter 說:「新的研究表明,黑洞邊緣的磁場足夠強大,可以將熱氣流噴射出去並幫助其抵抗黑洞引力…… 只有穿過磁場的氣體才能螺旋向內進入視界。」

最接近黑洞的磁場可能非常極端,它們將邊緣的物質炸開,然後將其集中到我們從 M87 中觀察到的巨大噴流中。

「事件視界望遠鏡」其實不是一個單獨的設備,它是由位於全球各地的八個望遠鏡組成的體系。它就像一個與地球一樣大的虛擬望遠鏡,捕獲從 M87 周圍逃逸的光線,提供解決這一問題所需的解像度,只有這樣我們才能觀察數百萬光年以外的天體。

智利的阿塔卡瑪大毫米波干涉陣列(ALMA)是合作中較為特殊的一組望遠鏡,它是由美國、歐洲和日本共同建設的超大型毫米波和亞毫米波干涉陣列,它以偏振光的形式揭示了黑洞中的噴流,展示了磁力線的形狀。它還觀察了銀河系中心的超大質量黑洞「Sgr A*」以及其他十幾個超大質量黑洞,發現這些極其明亮、朝向地球的噴流受到了強烈的偏振,研究人員假設其原因可能是因為它們面對的方向。
黑洞特性的可視化,圖片來自 NASA。

黑洞的照片令人著迷,但圍繞這一壯觀的天體,還有太多未解之謎。隨著越來越多天文台的加入,研究網絡還在不斷升級,EHT 將提供進一步的機會來研究最靠近 M87 和 Sgr A* 的區域。

「通過對陣列進行技術升級、增加新的觀測台站,EHT 還在迅速發展中,」EHT 合作成員、台北中研院天文與天體物理研究所東亞核心天文台聯盟研究員樸永和表示。「我們期待未來的 EHT 觀測能更準確地揭示黑洞周圍的磁場結構,並告訴我們更多關於這一區域熱氣體的物理性質。」

參考鏈接: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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