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全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

本文作者:付靜 2020-04-09 18:39
導語:雖然和首張黑洞照片一樣高糊,但對類星體的研究來說意義重大。

在經歷了漫長的黑洞探索后,2017 年 4 月,全球 30 多個研究所的天文學家總算完成了對黑洞的拍攝工作。

2019 年 4 月,首張黑洞照片公布,成為黑洞研究的里程碑事件。

時隔一年,天文學家們又公布了全球第二張黑洞照片——2017 年 4 月拍攝到的 55 億光年外的類星體 3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

當地時間 2020 年 4 月 7 日,相關研究成果發表于《天體學與天體物理學》(Astronomy & Astrophysics)期刊,題為 Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution(事件視界望遠鏡對類星體 3C279 的 20 微秒極限分辨率成像),論文合著者多達數百位。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

神秘的天體

想必所有人都聽說過「黑洞」。

1915 年,愛因斯坦完成了其廣義相對論的基礎,并于次年正式發表。廣義相對論預言,在宇宙空間中存在一種天體,是由質量足夠大的恒星在核聚變反應的燃料耗盡而死亡后,發生引力坍縮產生的。這種天體的密度極大、體積極小,同時引力也極其強大,強到連光線都被吸引,無法逃逸。

1916 年,德國物理學家 Karl Schwarzschild 為這一預言做了精確解——Karl Schwarzschild 通過計算得到了愛因斯坦場方程的一個真空解,這個解表明,如果一個靜態球對稱星體實際半徑小于一個定值(這一定值便是著名的史瓦西半徑),其周圍會產生奇異的現象:一旦進入一個被稱為“視界”的界面,即使光也無法逃脫。

直至 1969 年,美國天體物理學家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念,從此傳播世界。

1970 年,美國“自由”號人造衛星發現了與其他射線源不同的天鵝座 X-1,天鵝座 X-1 上有一個比太陽重 30 多倍的巨大藍色星球,該星球被一個有 10 個太陽那么重的看不見的物體牽引著。天文學家當時一致認為這個物體正是黑洞,這也是人類發現的史上第一個黑洞。

總的來說,科學家對黑洞的探索之路相當艱難,很大一部分原因是黑洞無法直接被觀測到,因此科學家只能通過間接方式得知其存在、質量,及黑洞對其他事物的影響。

雷鋒網了解到,物體被黑洞吸入之前,黑洞引力帶來的加速度會導致摩擦,進而釋放出 x 射線和 γ 射線的“邊緣訊息”,而這就是科學家獲取黑洞存在的證據。當然,借由間接觀測恒星或星際云氣團繞行的軌跡,科學家也能尋到一些蛛絲馬跡。

給看不見的黑洞拍張照

為進一步了解黑洞、宇宙,科學家們用到了一個工具——射電望遠鏡。

射電望遠鏡是指觀測、研究來自天體的射電波的基本設備,包括收集射電波的定向天線,放大射電信號的高靈敏度接收機,信息記錄﹑處理和顯示系統等,可測量天體射電的強度、頻譜及偏振等量。

針對黑洞的研究,科學家們使用的是一種名為「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope, EHT)的由多個射電望遠鏡形成的網絡。根據名稱不難看出,它嘗試觀測的實際上是黑洞的“事件視界”。

正如上文所述,我們可以把事件視界理解成是一種時空的界線。黑洞周圍的事件視界中,在非常巨大的引力影響下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光線皆不可能從事件視界內部逃脫,而在該事件視界外便不會受到黑洞的影響。

2006 年,全球 30 多個研究所的科學家們聯合起來,發起了一項雄心勃勃的計劃:給黑洞拍張照。

具體來講,這一計劃基于甚長基線干涉技術(VLBI),借助分布在世界多地的 8 個射電望遠鏡聯合觀測同一目標源并記錄數據,從而形成一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠鏡,將望遠鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結構的程度。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

值得一提的是,上述 8 個射電望遠鏡不全是單一的望遠鏡,其中包括望遠鏡陣列,比如位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣由 70 多個小望遠鏡構成。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

2017 年 4 月,人類完成黑洞照片的拍攝工作之后,便進入了漫長的數據處理過程。

2019 年 9 月,事件視界望遠鏡的合作組織獲得 2020 年“科學界的奧斯卡”科學突破獎基礎物理獎。

終于,美國東部時間 2019 年 4 月 10 日 9 時(北京時間 10 日 21 時),美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開了新聞發布會,公開了事件視界望遠鏡取得的第一項重大成果——人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

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全球第二張黑洞照片

雖然第二張黑洞照片和第一張一樣高糊,但它對類星體的研究來說意義重大。

類星體,其實是類似恒星天體的簡稱,是一類離地球最遠、能量最高的活動星系核,比星系小很多,但其釋放的能量卻是星系的千倍以上。

類星體與脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子一度被稱為 20 世紀 60 年代天文學的“四大發現”。長期以來也讓天文學家疑惑不解。

據了解,3C 279 是一顆光學劇變類星體,此前科學家們首次探測到類星體的超光速運動現象就是在該星體上探測到的。

其實,天文學家們選擇 3C279 作為觀測對象,可能的兩方面原因是:

  • 不同于其他類星體,3C279 中心的超大質量黑洞周圍盤旋著一個發出強烈輻射的氣體吸積盤(雷鋒網(公眾號:雷鋒網)注:指環繞在恒星周圍的氣體和塵?;旌衔铮?,這樣更容易被觀測到;

  • 早在多年前,研究人員就發現這個黑洞有一個比較弱的伽馬射線發射源。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

2017 年 4 月,研究人員曾 4 次使用超高角分辨率技術——1.3mm(230GHz)的甚長基線干涉技術——來分辨 3C279 的中心噴射流,以便研究其接近噴射流發射源(高度可變的伽馬射線正是源于此)的精細尺度形態。

全球第二張黑洞照片公布!「事件視界望遠鏡」拍的高糊圖片能解決類星體之謎嗎?

值得一提的是,這張圖片中的黑洞和虛擬、假想中的完全不同——天文學家一致認為黑洞輻射噴射流呈直線狀,但這張照片首次揭示噴射流呈彎曲狀。雖然目前尚不明確其原理,但這一發現無疑能幫助科學家更好地理解黑洞周圍的物理性質。

此外,研究人員也注意到,吸積盤上的旋轉材料在掉落黑洞時引起了細微變化,而這是之前從未觀察到的。

引用來源:

[1] https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa37493-20.pdf

[2] https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%91%E6%B4%9E/10952?fr=aladdin#4_1

[3] https://baike.baidu.com/item/%E5%88%86%E8%BE%A8%E7%8E%87/213523?fr=aladdin#5_10

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