最精细黑洞喷流照片公布,对话研究人员:详解追踪过程与意义

2019年,事件视界望远镜(EHT)国际团队使人们首次目睹了黑洞的真面目,如今,该团队以前所未有的精度捕捉到了半人马座A中心黑洞的巨大喷流。这也是人类目前获得最精细黑洞喷流图像。 
此外,图像也显示了半人马座A(CenA)黑洞喷流明显的边缘增亮效应,这对既有的黑洞喷流理论模型构成挑战。该研究结果于近日发表在《自然-天文学》中,通讯作者为德国马克斯普朗克研究所的天文学家Michael Janssen。 
本次黑洞喷流的图像来自半人马座A(CenA),距离地球约1300万光年。据该研究论文作者之一、加拿大滑铁卢大学天文学博士生倪醇冲向新闻记者介绍,半人马星座A作为射电星系,在无线电波段强度最高;此外该星座也是距离地球最近的射电星系,因此是EHT团队研究的理想对象。“由于CenA离我们非常远,我们无法直接观察到其黑洞,但却能从大结构尺度上关注它的喷流。”倪醇冲说。 
黑洞,是100多年前爱因斯坦广义相对论预言存在的一种天体。2019年,EHT国际团队首次合成M87星系黑洞图片,是人类首次直接“看见”黑洞。黑洞由于质量巨大,因此具有超强引力,哪怕是光子在接近它时也无法逃脱。这一使光子也无法逃脱的黑洞势力范围被称作黑洞的半径或称作事件视界(event horizon)。一旦粒子进入视界中,朝向黑洞运行是不可避免的。
既然光也无法逃离黑洞的引力场,为何黑洞还会喷射出明亮的喷流?Janssen解释,超大质量黑洞能够凭借巨大的引力吸引绝大多数周围的气体和尘埃,然而,也有一些周围的粒子在被捕捉前的瞬间逃脱,远远地喷射向宇宙。
这些喷流可以从黑洞向外延伸数十亿光年,甚至比整个星系更长更宽。以此次半人马座A黑洞为例,据Janssen介绍,这些喷流几乎延伸至整个星系。 
本次EHT观测并非科学家首次观察到半人马星座喷流。早在1999年NASA的钱德拉X射线天文台便把望远镜对准半人马座A,数据合成的图片上,巨大的喷流从中央超大质量黑洞中喷射而出。对1999年至2012年期间观测数据的整合形成了CenA的多波段合成图像。 
然而,相比于以往图像,EHT根据本次观测形成的CenA黑洞喷流图像是目前最为细致的。其以此前观测喷流的16倍分辨率与10倍频率成像,显示出了喷流前所未有的细节。在该图像中,喷流有一个黑暗的中心,两侧有两条明亮的条纹。这一物体边缘看起来变得更亮的效应被称作临边增亮(limb brightening)。“CenA的独特之处在于,和先前各波段的射电望远镜对黑洞喷流的观测相比,此次观测中CenA的临边增亮效应非常显著”,倪醇冲介绍。
这一发现有利于加深对喷流产生的理解。德国维尔茨堡大学天体物理学教授Matthias Kadler表示,“这是一个引人注目的特征,由此我们能够排除无法重建边缘增亮情况的理论喷射模型,这有助于我们更好地理解黑洞产生的的喷流”。此外,本次CenA喷流图像还显现出一些有趣的特征。除了观察到喷流,图像也显示了相对微弱的反喷流(counterjet)。“黑洞对着我们喷的是喷流,远离我们的就叫反喷流。喷流一般比反喷流亮,因为喷流是冲向我们的。”此外,本次观察到反喷流也为进一步研究CenA反喷流结构提供了契机,倪醇冲表示。 
此次对半人马星座A的成像,是基于2017EHT观测的数据。2017年4月10日,EHT对半人马星座A进行了长达六小时的观测。 
EHT是一个通过国际合作实现的、由8个地面射电望远镜组成的观测阵列。它使用了甚长基线干涉测量(VLBI)技术,2017年观测波段是1.3毫米。观测时,世界各地的射电望远镜同步观测,利用地球自转,形成一个口径如地球大小的“虚拟”望远镜。该望远镜的分辨率可达约20微角秒,足以让人在巴黎的一家咖啡馆直接阅读到纽约的报纸。 
为了协调处于不同位置的射电望远镜数据记录的同时性,每个望远镜中都放置原子钟进行精准计时,计算精度可达10-15-10-12毫秒。此外,由于地球上不同的射电望远镜与观测对象的距离存在差异,在数据整合时研究者也需要将这一距离差异考虑进去。 
由于8台望远镜无法把整个地球布满,在观测时无法获得非常完整的数据。倪醇冲提到:“相当于我们观测的时候望远镜的镜面上面有大量空的地方,因此增大了它大量不确定性,也增大了图像拟合上的难度。”
观测中各个望远镜产生的大量数据被存储在硬盘上,空运至高度专业化的超级计算机进行合并处理,这些超级计算机位于马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台。 
初步处理的数据将与各种算法得出的图像的理论模型相拟合。“相当于我们要去理解这些数据,通过不同EHT小组成员使用的不同算法,还原出可能性最高的图像”。倪醇冲介绍。目前,EHT进行图像拟合的算法主要有RML(regularized maximum likelihood model)、CLEAN和Bayesian三种。“因此,我们最后得出的CenA图像的结论不能说是原貌,而是一种最高可能性”。倪醇冲强调。 
目前对于黑洞喷流产生的原因尚未达成共识性的结论。较为普遍的说法认为,喷流的直接成因是中心星体吸积盘表面的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射。吸积盘是由围绕大质量中心天体进行轨道运动的弥散物质形成的结构。然而,也有学者认为由于形成喷流需要惊人的能量,一些黑洞喷流是由旋转黑洞对其加速形成。 
无论哪一种解释,喷流的形成机制都与黑洞周围的磁场结构密切相关。“这次CenA的观察使我们能够具体研究黑洞周围的磁场结构。它带给我们新的工具去研究黑洞喷流的机制”,倪醇冲在采访时提到。倪醇冲认为,对于喷流的研究已经存在各种模型与模拟,缺少的是对于喷流底部(base),即喷流产生之处的直接观测。 
据倪醇冲介绍,下一步对CenA的研究,EHT将有更多的计划。“比如我正在进行的研究是确定喷流的结构,然后了解它形成的机制。M87发表完了以后,整个团队进一步研究了它的极化现象,我们可能会进一步研究CenA的极化。同时我们会有新的观测数据,这样就可以更好地确定喷流的结构。”截至目前,EHT共观测了2017年、2018年与2021年三组数据,由于2019年设备维护原因与2020年的疫情耽搁,EHT并未进行观测。
在EHT之后,ngEHT(next generation Event Horizon Telescope,下一代事件视界望远镜)项目也逐步开展。据ngEHT官网介绍,在EHT的基础上,ngEHT将使用最先进的技术对现有仪器进行现代化改造与开发,同时通过扩大现有的地面射电望远镜序列数量以扩大望远镜的地理覆盖范围。“下一代事件地平线望远镜将捕获最清晰的图像,甚至是黑洞的视频。”ngEHT官网称。

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