全球第二张黑洞照片!高糊图片能解决类星体之谜吗?

时间:2020-04-10 10:32:15       来源:雷锋网

在经历了漫长的黑洞探索后,2017 年 4 月,全球 30 多个研究所的天文学家总算完成了对黑洞的拍摄工作。

2019 年 4 月,首张黑洞照片公布,成为黑洞研究的里程碑事件。

时隔一年,天文学家们又公布了全球第二张黑洞照片——2017 年4月拍摄到的55亿光年外的类星体3C 279 中央核心及其射流起源的图片。

当地时间 2020 年 4 月 7 日,相关研究成果发表于《天体学与天体物理学》(Astronomy & Astrophysics)期刊,题为Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution(事件视界望远镜对类星体 3C279 的 20 微秒极限分辨率成像),论文合著者多达数百位。

神秘的天体

想必所有人都听说过「黑洞」。

1915 年,爱因斯坦完成了其广义相对论的基础,并于次年正式发表。广义相对论预言,在宇宙空间中存在一种天体,是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后,发生引力坍缩产生的。这种天体的密度极大、体积极小,同时引力也极其强大,强到连光线都被吸引,无法逃逸。

1916 年,德国物理学家 Karl Schwarzschild 为这一预言做了精确解——Karl Schwarzschild通过计算得到了爱因斯坦场方程的一个真空解,这个解表明,如果一个静态球对称星体实际半径小于一个定值(这一定值便是著名的史瓦西半径),其周围会产生奇异的现象:一旦进入一个被称为“视界”的界面,即使光也无法逃脱。

直至 1969 年,美国天体物理学家John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念,从此传播世界。

1970 年,美国“自由”号人造卫星发现了与其他射线源不同的天鹅座 X-1,天鹅座 X-1 上有一个比太阳重 30 多倍的巨大蓝色星球,该星球被一个有 10 个太阳那么重的看不见的物体牵引着。天文学家当时一致认为这个物体正是黑洞,这也是人类发现的史上第一个黑洞。

总的来说,科学家对黑洞的探索之路相当艰难,很大一部分原因是黑洞无法直接被观测到,因此科学家只能通过间接方式得知其存在、质量,及黑洞对其他事物的影响。

雷锋网了解到,物体被黑洞吸入之前,黑洞引力带来的加速度会导致摩擦,进而释放出 x 射线和 γ 射线的“边缘讯息”,而这就是科学家获取黑洞存在的证据。当然,借由间接观测恒星或星际云气团绕行的轨迹,科学家也能寻到一些蛛丝马迹。

给看不见的黑洞拍张照

为进一步了解黑洞、宇宙,科学家们用到了一个工具——射电望远镜。

射电望远镜是指观测、研究来自天体的射电波的基本设备,包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录﹑处理和显示系统等,可测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。

针对黑洞的研究,科学家们使用的是一种名为「事件视界望远镜」(Event Horizon Telescope,EHT)的由多个射电望远镜形成的网络。根据名称不难看出,它尝试观测的实际上是黑洞的“事件视界”。

正如上文所述,我们可以把事件视界理解成是一种时空的界线。黑洞周围的事件视界中,在非常巨大的引力影响下,黑洞附近的逃逸速度大于光速,使得任何光线皆不可能从事件视界内部逃脱,而在该事件视界外便不会受到黑洞的影响。

2006 年,全球 30 多个研究所的科学家们联合起来,发起了一项雄心勃勃的计划:给黑洞拍张照。

具体来讲,这一计划基于甚长基线干涉技术(VLBI),借助分布在世界多地的 8 个射电望远镜联合观测同一目标源并记录数据,从而形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜,将望远镜的角分辨率提升至足以观测事件视界尺度结构的程度。

值得一提的是,上述 8 个射电望远镜不全是单一的望远镜,其中包括望远镜阵列,比如位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵由 70 多个小望远镜构成。

2017 年 4 月,人类完成黑洞照片的拍摄工作之后,便进入了漫长的数据处理过程。

2019 年 9 月,事件视界望远镜的合作组织获得 2020 年“科学界的奥斯卡”科学突破奖基础物理奖。

终于,美国东部时间 2019 年 4 月 10 日 9 时(北京时间 10 日 21 时),美国华盛顿、中国上海和台北、智利圣地亚哥、比利时布鲁塞尔、丹麦灵比和日本东京同时召开了新闻发布会,公开了事件视界望远镜取得的第一项重大成果——人类有史以来获得的第一张黑洞照片。

全球第二张黑洞照片

虽然第二张黑洞照片和第一张一样高糊,但它对类星体的研究来说意义重大。

类星体,其实是类似恒星天体的简称,是一类离地球最远、能量最高的活动星系核,比星系小很多,但其释放的能量却是星系的千倍以上。

类星体与脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子一度被称为 20 世纪 60 年代天文学的“四大发现”。长期以来也让天文学家疑惑不解。

据了解,3C 279 是一颗光学剧变类星体,此前科学家们首次探测到类星体的超光速运动现象就是在该星体上探测到的。

其实,天文学家们选择 3C279 作为观测对象,可能的两方面原因是:

不同于其他类星体,3C279 中心的超大质量黑洞周围盘旋着一个发出强烈辐射的气体吸积盘(雷锋网注:指环绕在恒星周围的气体和尘埃混合物),这样更容易被观测到;

早在多年前,研究人员就发现这个黑洞有一个比较弱的伽马射线发射源。

2017 年 4 月,研究人员曾 4 次使用超高角分辨率技术——1.3mm(230GHz)的甚长基线干涉技术——来分辨 3C279 的中心喷射流,以便研究其接近喷射流发射源(高度可变的伽马射线正是源于此)的精细尺度形态。

值得一提的是,这张图片中的黑洞和虚拟、假想中的完全不同——天文学家一致认为黑洞辐射喷射流呈直线状,但这张照片首次揭示喷射流呈弯曲状。虽然目前尚不明确其原理,但这一发现无疑能帮助科学家更好地理解黑洞周围的物理性质。

此外,研究人员也注意到,吸积盘上的旋转材料在掉落黑洞时引起了细微变化,而这是之前从未观察到的。

引用来源:

[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