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還記得人類首張黑洞照片嗎?天文學家拍攝M87黑洞又上新啦!

發(fā)布時間:2023-04-27 10:44:00來源: 中國新聞網

  中新網北京4月26日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)4年多前,事件視界望遠鏡(EHT)在全球多地同步發(fā)布全世界300多位科學家合作完成的一項重大天文學成果——人類首張黑洞照片,其“甜甜圈”狀的萌圖引發(fā)全球公眾廣泛追捧和學界持續(xù)關注。

  這一人類首次“眼見為實”的超大黑洞直接視覺證據,揭示了室女座星系團中超大質量星系梅西耶(Messier)87(M87)中心的黑洞,它距離地球5500萬光年,質量為太陽的65億倍。如今,4年過去了,M87黑洞有變化嗎?科學研究有何進展?有沒有拍到新的照片?

  黑洞陰影和強大噴流首次同框成像

  來自中國科學院(中科院)的最新消息說,中科院上海天文臺研究員、中德馬普伙伴小組組長路如森領導的一個國際研究團隊利用在3.5毫米波段開展的最新觀測,首次對著名射電星系M87的黑洞陰影以及其周圍落入中央黑洞的物質的環(huán)狀結構和強大的相對論性噴流一起進行成像。該同框圖像為首次在3.5毫米波長實現成像,也首次表明了中央超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源之間的聯(lián)系。

  此次M87圖像觀測結果是由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列(ALMA)和格陵蘭望遠鏡(GLT)獲得,后兩個觀測臺站的加入大大增強了GMVA的成像能力。

  北京時間4月26日夜間,來自17個國家和地區(qū)共64家研究單位121位科研人員共同“拍攝”完成的M87黑洞陰影和強大噴流首次同框影像及相關成果論文,在國際頂級學術期刊《自然》(Nature)上線發(fā)表。

  新波段拍攝到黑洞及噴流“全景圖”

  論文第一作者路如森研究員介紹說,黑洞周圍的物質被認為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的,但是此前從來沒有人直接對它進行過成像?!耙郧拔覀冊趩为毜膱D像中分別看到過黑洞和噴流,但現在我們在一個新的波段拍攝了黑洞和噴流的‘全景圖’”,“我們之前看到的環(huán)狀結構在3.5毫米波長變得更大、更厚,這表明在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質產生了額外的輻射,從而使得我們能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程”。

  他指出,ALMA、GLT與GMVA組成全新觀測陣容,提高全球望遠鏡陣列的分辨率和靈敏度,使得天文學家首次在3.5毫米波長對M87黑洞周圍的環(huán)狀結構進行了成像。新陣列測得的環(huán)狀結構的直徑為64微角秒,相當于月球上的宇航員回望地球時看到的一個13厘米的環(huán)形補光燈的大小。這個直徑比事件視界望遠鏡此前在1.3毫米波段觀測中所看到的環(huán)狀結構要大50%,符合對該區(qū)域相對論等離子體輻射的預期。

  這次發(fā)表的M87黑洞新照片是在2018年4月14日至15日拍攝,經過復雜的數據處理和成圖過程,以及反復驗證和確認結果,最終在5年后“沖洗”完成并呈現出這張史無前例的新圖像。它與4年前發(fā)布的人類首張黑洞照片相比有兩個不同點:一是本次觀測波長是3.5毫米,而EHT的觀測波長是1.3毫米;二是本次觀測聯(lián)合了16臺望遠鏡,而EHT的觀測聯(lián)合了8臺望遠鏡。

  “EHT拍攝的照片是黑洞的‘特寫’,看到亮環(huán)圍繞著中間的陰影。此次我們拍攝到黑洞的‘全景’,在這張照片中有黑洞、黑洞周圍的吸積流、以及從盤附近延伸向遠處的噴流。這張照片作為EHT照片的拓展,充分展現了黑洞和它周圍環(huán)境的關系?!甭啡缟ㄋ捉忉屨f。

  最新觀測結果揭示黑洞本身不是“很餓”

  “通過在GMVA觀測中加入ALMA和GLT,大大提高了成像能力,我們獲得了一個新的視角,確實看到了我們在早期VLBI(甚長基線干涉測量)觀測中了解到的三齒狀的噴流?!闭撐墓餐髡摺⒌聡R普射電天文研究所托馬斯·克里奇鮑姆(Thomas Krichbaum)認為,“但是,現在我們可以看到噴流是如何從中央超大質量黑洞周圍的環(huán)狀結構中出現的,而且也可以在另一個波段測量黑洞周圍環(huán)狀結構的直徑”。

  中科院上海天文臺團隊指出,來自M87黑洞的射電輻射是由高能電子和磁場的相互作用產生,這種輻射被稱為同步加速輻射,在3.5毫米波長,新的觀測結果揭示出有關這些電子的位置和能量的更多細節(jié),還包括一些關于黑洞本身的性質:它不是“很餓”,其消耗物質的速度很低,只將其中一小部分轉化為輻射。

  論文共同作者、中國臺灣地區(qū)“中央研究院”天文和天體物理研究所的淺田圭一(Keiichi Asada)解釋說:“為了解M87黑洞這個更大、更厚的環(huán)的物理來源,我們不得不使用計算機模擬來測試不同的情況,最終得出結論顯示,亮環(huán)的較大范圍與吸積流有關”。論文共同作者、日本國立天文臺秦和弘(Kazuhiro Hada)補充稱,“我們還在數據中發(fā)現一些令人驚訝的事情:在靠近黑洞的內部區(qū)域,輻射的寬度比我們預期的要寬。這可能意味著黑洞周圍不僅僅有氣體落入,也可能有一股‘風’吹出來,造成黑洞周圍的湍流和混亂”。

  未來將拍攝“彩色黑洞”“動態(tài)黑洞”

  中科院上海天文臺研究團隊表示,雖然已完成黑洞“特寫”和“全景”照片的拍攝,但天文學家對M87黑洞的探索并沒有結束,后續(xù)進一步的觀測和未來更強大的望遠鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。

  路如森透露,研究團隊下一步的目標,一是與EHT一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照,他們將拍攝更清晰的3.5毫米照片,結合未來EHT拍攝的更清晰的1.3毫米照片、未來下一代EHT拍攝的0.8毫米照片,以及在更遙遠的未來空間VLBI拍攝的更短波長的照片,就可以得到黑洞的“彩色照片”。由于不同波長的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過程,相比于“單色黑洞”,“彩色黑洞”將帶給天文學家更多信息,幫助更好地理解黑洞本身,以及它和周圍環(huán)境的關系。

  二是拍攝“動態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的,它每時每刻都在和周圍環(huán)境相互作用,因此不同時刻看它,它是不一樣的。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度,讓天文學家能夠全方位的觀測和理解黑洞。對于M87黑洞,由于它變化緩慢,需要長時間的監(jiān)測來拍攝它的變化,EHT在過去幾年進行了多次的連續(xù)成像觀測,未來5年也有持續(xù)的觀測計劃,這些觀測數據將呈現M87黑洞在10年時間跨度上的電影。針對快速變化的銀心黑洞,目前EHT的望遠鏡分布不足以實現“快拍模式”的動態(tài)攝影,“丟幀”嚴重,但隨著未來幾年更多望遠鏡的加入,將能達到所需時間分辨率,拍到“黑洞電影”。

  論文共同作者、韓國天文和空間科學研究所瓊戈·帕克(Jongho Park)認為,未來毫米波觀測將研究M87黑洞的時間演變并且將通過結合不同顏色的“射電光”的圖像,來獲得M87中心黑洞區(qū)域的多色視圖。

  “此次展現的3.5毫米波長圖像可以說是代表了當前的最新成就,但為了揭示M87中央超大質量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準直傳播的物理機制之謎,我們需要拍攝更多色的高質量圖像,包括在0.8毫米或更短的亞毫米波波長的黑洞照片,以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像,未來非常令人期待?!闭撐墓餐髡摺⒅锌圃荷虾L煳呐_臺長沈志強研究員總結強調。(完)

(責編:陳濛濛)

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