場外觀察:射電望遠鏡逼近從超大質量黑洞噴射出的等離子體噴流

放大觀察星系M87,揭示關於其中心不可見黑洞周圍動盪環境的答案

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根據定義,黑洞不發光。它們是不可見的。

但是天文學家希望儘可能靠近黑洞,方法是放大觀察黑洞周圍的區域。這就是事件視界望遠鏡(EHT)的目標,這是一個連線全球的射電望遠鏡網路

真正的事件視界——光和物質都無可挽回地被黑洞引力吞噬的點——仍然無法看見,但是該望遠鏡現在已經成功地穿透了附近超大質量黑洞的面紗,得以窺探其動盪環境前所未有的深度。


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研究人員將位於夏威夷、亞利桑那州和加利福尼亞州的EHT射電天線指向巨大的橢圓星系M87,該星系距離地球約5450萬光年。該星系的特徵是一條壯觀的噴流,長達數千光年,從其中心噴射而出,因此,據推測,也來自該星系的黑洞。在9月27日線上發表在《科學》雜誌上的一項研究中,馬薩諸塞州韋斯特福德市馬薩諸塞理工學院海斯塔克天文臺的謝潑德·多爾曼和他的同事報告說,該天線網路已經解析了M87噴流的根部。噴流在該位置(靠近其起源處)的大小,反過來又使研究人員能夠推斷出該星系巨型黑洞(質量為太陽的66億倍)和圍繞它的物質漩渦盤的一些最基本屬性。

在黑洞的事件視界之外,環繞著一個物質盤,該物質盤被吸入但尚未被黑洞的引力吞噬。隨著落入的物質碰撞和壓縮,吸積盤變得非常稠密和熾熱,在此過程中釋放出大量的輻射。吸積盤還可以將粒子加速成等離子體噴流,該噴流以接近光速的相當一部分速度向外傳播。

多爾曼和他的同事測量了M87中噴流的根部,以確定黑洞吸積盤內穩定性的內邊緣,超過該邊緣物質會迅速向內墜落,走向毀滅。那個邊緣,即吸積盤中最稠密和移動速度最快的部分,可以輕鬆地將粒子向外拋射。“我們從M87看到的噴流很可能就是從這個區域發射出來的,”多爾曼說。

EHT憑藉其各個站點之間長基線帶來的卓越解析度,使研究人員能夠測量噴流足跡的大小,僅為黑洞史瓦西半徑的5.5倍。(史瓦西半徑是給定質量在不坍縮成黑洞的情況下可以被壓縮到的最小尺寸。)“我們看到的東西非常小,小得令人難以置信,令人震驚,”多爾曼說。

噴流的大小——以及由此推斷出的吸積盤內最內穩定軌道的大小——暗示黑洞正在旋轉,並且吸積盤正朝著相同的方向旋轉。一個不旋轉的黑洞將具有更寬的噴流,而一個與黑洞旋轉方向相反的吸積盤將發射出更寬的噴泉狀噴流。

在測量噴流足跡時,研究人員必須考慮到由愛因斯坦廣義相對論的彎曲時空引起的畸變,這種畸變是觀測如此巨大的物體所固有的。由於這種畸變,地球上的工具測量的粒子噴流可能看起來比實際更大。“黑洞就像它自己的透鏡,”多爾曼說。“那僅僅是因為黑洞像太妃糖一樣彎曲光線。”

僅僅視覺化事件視界並不是該專案的唯一目標。一箇中心目標是窺探一個由超大質量物體主導的天體物理環境,以觀察引力是否如預測的那樣運作。“如果愛因斯坦的理論要被打破,那很可能是在黑洞附近,”多爾曼說,然後他承認,這個統治性的引力理論已經經受住了無數次挑戰。“永遠不要與愛因斯坦對賭是明智的,”他補充道。“我認為拉斯維加斯的博彩公司會給你很高的賠率。但你必須嘗試。”

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