震惊!最精密黑洞喷流爆出,研讨人员详解追寻

 

2019年,事情视界望远镜(EHT)国际团队使人们初度目击了黑洞的真面目,现在,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。这也是人类现在获得最精密黑洞喷流图像。 

此外,图像也闪现了半人马座A(CenA)黑洞喷流明显的边际增亮效应,这对既有的黑洞喷流理论模型构成应战。该研讨结果于近来宣布在《自然-天文学》中,通讯作者为德国马克斯普朗克研讨所的天文学家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。据该研讨论文作者之一、加拿大滑铁卢大学天文学博士生倪醇冲向记者介绍,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团队研讨的志向方针。“由于CenA离我们十分远,我们无法直接观察到其黑洞,但却能从大结构标准上重视它的喷流。”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国际团队初度组成M87星系黑洞图片,是人类初度直接“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规划被称作黑洞的半径或称作事情视界(event horizon)。一旦粒子进入视界中,朝向黑洞工作是不可避免的。
已然光也无法逃离黑洞的引力场,为何黑洞还会喷宣布明亮的喷流?Janssen解说,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土,可是,也有一些周围的粒子在被捕捉前的瞬间逃脱,远远地喷射向世界。
这些喷流能够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,这些喷流简直延伸至整个星系。 
本次EHT观测并非科学家初度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,数据组成的图片上,巨大的喷流从中心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构成了CenA的多波段组成图像。 
可是,比较于以往图像,EHT根据本次观测构成的CenA黑洞喷流图像是现在最为详尽的。其以此前观测喷流的16倍分辨率与10倍频率成像,闪现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,两边有两条明亮的条纹。这一物体边际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,和早年各波段的射电望远镜对黑洞喷流的观测比较,此次观测中CenA的临边增亮效应十分显著”,倪醇冲介绍。
这一发现有利于加深对喷流产生的了解。德国维尔茨堡大学天体物理学教授Matthias Kadler表明,“这是一个有目共睹的特征,由此我们能够扫除无法重建边际增亮状况的理论喷射模型,这有助于我们更好地了解黑洞产生的的喷流”。

此外,本次CenA喷流图像还闪现出一些幽默的特征。除了观察到喷流,图像也闪现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,由于喷流是冲向我们的。”此外,本次观察到反喷流也为进一步研讨CenA反喷流结构提供了关键,倪醇冲表明。 

此次对半人马星座A的成像,是根据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是一个通过国际协作完成的、由8个地上射电望远镜组成的观测阵列。它运用了甚长基线干与丈量(VLBI)技能,2017年观测波段是1.3毫米。观测时,国际各地的射电望远镜同步观测,利用地球自转,构成一个口径如地球巨细的“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。 
为了和谐处于不同方位的射电望远镜数据记载的一同性,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方针的距离存在差异,在数据整合时研讨者也需求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,在观测时无法获得十分完整的数据。倪醇冲提到:“相当于我们观测的时分望远镜的镜面上面有很多空的地方,因此增大了它很多不承认性,也增大了图像拟合上的难度。”
观测中各个望远镜产生的很多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兼并处理,这些超级计算机坐落马普射电所和麻省理工学院海斯塔克天文台。 
开端处理的数据将与各种算法得出的图像的理论模型相拟合。“相当于我们要去了解这些数据,通过不同EHT小组成员运用的不同算法,还原出可能性最高的图像”。倪醇冲介绍。现在,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”。倪醇冲着重。 
现在关于黑洞喷流产生的原因没有达成一致性的结论。较为广泛的说法认为,喷流的直接成因是中心星体吸积盘外表的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射。吸积盘是由盘绕大质量中心天体进行轨迹运动的弥散物质构成的结构。可是,也有学者认为由于构成喷流需求惊人的能量,一些黑洞喷流是由旋转黑洞对其加快构成。 
不管哪一种解说,喷流的构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讨黑洞周围的磁场结构。它带给我们新的工具去研讨黑洞喷流的机制”,倪醇冲在采访时提到。倪醇冲认为,关于喷流的研讨现已存在各种模型与模仿,短少的是关于喷流底部(base),即喷流产生之处的直接观测。 
据倪醇冲介绍,下一步对CenA的研讨,EHT将有更多的方案。“比方我正在进行的研讨是承认喷流的结构,然后了解它构成的机制。M87宣布完了今后,整个团队进一步研讨了它的极化现象,我们可能会进一步研讨CenA的极化。一同我们会有新的观测数据,这样就能够更好地承认喷流的结构。”到现在,EHT共观测了2017年、2018年与2021年三组数据,由于2019年设备保护原因与2020年的疫情耽误,EHT并未进行观测。
在EHT之后,ngEHT(next generation Event Horizon Telescope,下一代事情视界望远镜)项目也逐步开展。据ngEHT官网介绍,在EHT的基础上,ngEHT将运用最先进的技能对现有仪器进行现代化改造与开发,一同通过扩展现有的地上射电望远镜序列数量以扩展望远镜的地舆覆盖规划。“下一代事情地平线望远镜将捕获最清晰的图像,甚至是黑洞的视频。”


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