八名上海天文學(xué)家深度參與研究 黑洞研究的又一個(gè)里程碑

近日，事件視界望遠鏡(EHT)合作組織發(fā)布了M87超大質(zhì)量黑洞的最新照片：它在偏振光下的影像。

如果說(shuō)，兩年前發(fā)布的那張轟動(dòng)世界的首張黑洞照片，看上去像一個(gè)溫暖的橙色甜甜圈，那么這次的影像則顯示出了“甜甜圈”更為細膩的結構——如同一輪逆時(shí)針旋轉的煙花。

這些順滑流暢的曲線(xiàn)意義重大：這是天文學(xué)家第一次在如此接近黑洞邊緣處測得表征磁場(chǎng)特征的偏振信息。這一結果對解釋M87星系如何從其核心向外傳播能量巨大的噴流至為關(guān)鍵，為揭示M87超大質(zhì)量黑洞周邊性質(zhì)提供了一個(gè)嶄新視角。

24日，EHT合作的兩篇論文正式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)雜志通訊》上。由中科院上海天文臺科研人員領(lǐng)銜的國內團隊深度參與了該項研究。

八名上海天文學(xué)家深度參與

M87超大質(zhì)量黑洞是目前已知的最大黑洞之一，距離地球5500萬(wàn)光年，相當于65億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。雖然號稱(chēng)“超大質(zhì)量”，但實(shí)際上這種黑洞是一類(lèi)相當小的天體，以至于幾乎不能被直接看到。由于黑洞質(zhì)量越大，黑洞陰影越大，M87中心黑洞從地球看過(guò)去是角直徑最大的黑洞之一，因此成為EHT試圖捕獲的一個(gè)完美目標。

2019年4月10日，由全球13個(gè)合作機構共同創(chuàng )建的EHT團隊發(fā)布了有史以來(lái)第一張黑洞照片，揭示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結構及其黑暗的中央區域——黑洞的陰影。這是迄今為止最清晰的黑洞圖像。

“這是一張M87黑洞的流量總強度圖。”中國科學(xué)院上海天文臺臺長(cháng)沈志強說(shuō)，EHT在2017年所獲得的這批圖像數據分辨率達到了20微角秒——這個(gè)精度意味著(zhù)，你可以在紐約閱讀一份巴黎街頭攤開(kāi)的報紙。

此后，EHT合作組織深入研究了這批M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的數據。他們發(fā)現，M87黑洞周?chē)南喈斠徊糠止馐瞧竦摹?/p>

2019年7月，EHT合作組織在德國馬普射電天文研究所召開(kāi)了偏振校準工作會(huì )議。在此后約兩年時(shí)間里，天文學(xué)家們開(kāi)展了艱苦的工作，開(kāi)發(fā)了多種數據處理方法，終于獲得了這幅最新發(fā)布的黑洞偏振圖像。參與此次EHT大型國際合作項目的科研人員多達300名，其中中國大陸學(xué)者共16人，有8人來(lái)自上海天文臺。最后，參與偏振校對的三個(gè)工作組分別用不同方式得到非常一致的偏振圖像，如此漂亮的結果，令所有人都興奮不已。

“旋轉煙花”所蘊藏的奧秘

從最新發(fā)布的照片來(lái)看，原先模糊的“甜甜圈”顯現出了更加精細的結構——如同一輪火紅的旋轉煙花。

這些順滑的曲線(xiàn)是如何被看見(jiàn)的?簡(jiǎn)言之，通過(guò)偏振測量。光是一種電磁波，當它通過(guò)某些濾光片(如偏光太陽(yáng)眼鏡的鏡片)，或從被磁化的高溫區域發(fā)出來(lái)時(shí)，就會(huì )觀(guān)測到偏振光。

就像偏光太陽(yáng)眼鏡能減少來(lái)自明亮表面的反射和眩光，從而幫助我們看得更清楚一樣，天文學(xué)家可以通過(guò)觀(guān)察來(lái)自黑洞邊緣的光的偏振特性，來(lái)得到新的信息——偏振測量可以讓天文學(xué)家了解存在于黑洞邊緣的磁場(chǎng)結構。

“常規VLBI偏振測量就很困難，EHT得到這個(gè)偏振圖像更是充滿(mǎn)挑戰。”EHT合作成員、上海天文臺副研究員江悟解釋?zhuān)捎诤诙催吘壿椛涞钠穸炔坏?0%，因此他們設計了多種方法，小心翼翼地消除設備和觀(guān)測過(guò)程中的各種效應，才得到了目前的結果。

這些曲線(xiàn)代表了什么?沈志強認為，首先它透露了黑洞邊緣的光是如何產(chǎn)生的，“我們可以推斷出，黑洞周?chē)邢鄬φ撔缘臍怏w，它們運動(dòng)速度很快，相對論性電子在磁場(chǎng)里會(huì )產(chǎn)生同步輻射”，現在觀(guān)測結果證明它就是來(lái)自同步輻射。

黑洞研究的又一個(gè)里程碑

對于研究黑洞的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這項工作是一個(gè)重要的里程碑：偏振光所攜帶的信息能讓我們更好地理解2019年4月發(fā)布的首張黑洞圖像背后的物理機制，這在以前是不可能的。

“黑洞的偏振成像結果，對理解黑洞周?chē)拇艌?chǎng)及物理過(guò)程至為關(guān)鍵。”EHT合作成員、上海天文臺研究員路如森解釋?zhuān)^(guò)去由于觀(guān)測精度不夠，天文學(xué)家只能通過(guò)理論模型對其結構和強度進(jìn)行猜測推導，如今則看到了關(guān)鍵證據。

從M87的核心噴射出來(lái)的明亮能量和物質(zhì)噴流，向外延伸了至少5000光年，是該星系最神秘、最壯觀(guān)的特征之一。大部分靠近黑洞邊緣的物質(zhì)都會(huì )落入其中，周?chē)灿幸恍┝Ｗ訒?huì )在被捕獲前的瞬間逃逸并以噴流的形式向外傳播。

為了更好地理解這一過(guò)程，天文學(xué)家構建了不同的關(guān)于黑洞邊緣物質(zhì)行為的模型。但他們仍不清楚，比星系尺度還要大的噴流究竟是如何從只有太陽(yáng)系大小的星系中心區域發(fā)射出來(lái)的，也不知道物質(zhì)究竟是如何落入黑洞的。

這幅全新的黑洞及其陰影的EHT偏振圖像，使天文學(xué)家首次成功探究黑洞外緣區域——在那里，物質(zhì)可能被吸入或被噴射出來(lái)。EHT合作成員、美國普林斯頓理論科學(xué)中心研究員安德魯·查爾說(shuō)：“這次最新公布的偏振圖像是理解磁場(chǎng)如何讓黑洞‘吞噬’物質(zhì)并發(fā)出能量巨大的噴流的關(guān)鍵。”

黑洞外緣磁場(chǎng)揭開(kāi)神秘面紗

此次偏振觀(guān)測的結果還提供了有關(guān)黑洞外緣磁場(chǎng)結構的新信息。研究團隊發(fā)現，只有以強磁化氣體為特征的理論模型，才能解釋在事件視界看到的情況。

美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校助理教授、EHT理論工作組協(xié)調員杰森·德克斯特解釋說(shuō)：“觀(guān)測結果表明，黑洞邊緣的磁場(chǎng)非常強，其作用力足以使得高溫氣體能夠抵御引力的拉扯。只有溜過(guò)磁場(chǎng)的氣體才能以旋進(jìn)的方式進(jìn)入到事件視界。”這一關(guān)鍵證據，可以解釋黑洞周?chē)艌?chǎng)的行為，以及在這個(gè)非常致密空間中的物理過(guò)程是如何驅動(dòng)尺度遠超星系本身的強大噴流的。

由世界各地的八臺望遠鏡連接起來(lái)而創(chuàng )建的虛擬望遠鏡EHT，分辨本領(lǐng)相當于在地球上看清月面一張信用卡。“盡管已經(jīng)能夠直接觀(guān)察到黑洞的陰影以及環(huán)繞的光環(huán)，但天文學(xué)家對其精度仍不滿(mǎn)足。”沈志強表示，根據現在偏振觀(guān)測結果，黑洞外緣磁場(chǎng)還有很多方面有待研究，天文學(xué)家需要更加清晰細致的觀(guān)測結果。

目前，EHT正在通過(guò)對陣列進(jìn)行技術(shù)升級和增加新的觀(guān)測臺站，來(lái)進(jìn)一步提升分辨本領(lǐng)。未來(lái)，EHT觀(guān)測能更準確地揭示黑洞周?chē)拇艌?chǎng)結構，并告訴人們更多關(guān)于這一區域熱氣體的物理性質(zhì)。 (據文匯報)

黑洞從哪里來(lái)?目前有兩種假設

2015年9月，激光干涉引力波天文臺(LIGO)探測到來(lái)自?xún)蓚€(gè)黑洞碰撞并合過(guò)程中產(chǎn)生的引力波信號。這是愛(ài)因斯坦廣義相對論提出引力波概念100周年后，人類(lèi)首次直接探測到引力波，它將天文學(xué)帶入了新紀元。

在將黑洞用于研究整個(gè)宇宙之前，天體物理學(xué)家必須先弄清楚它們是怎樣形成的。到目前為止，有兩種理論是解釋這一問(wèn)題的主流觀(guān)點(diǎn)：

一些天文學(xué)家認為，大多數黑洞起源于密集的恒星簇(也叫星團)，其密度可能比人類(lèi)所處的銀河系大100萬(wàn)倍。每當一顆巨大的恒星爆炸，它就會(huì )留下一個(gè)黑洞，沉入星團中間，恒星簇的中心因黑洞而變得密度很大，超強引力有著(zhù)席卷牽引一切的能力。天文學(xué)家稱(chēng)此為“動(dòng)態(tài)”黑洞的形成。

另一些研究者認為，黑洞更喜歡一對對地孤立出現。它們最初在相對荒涼的星系區域以成對恒星的形式開(kāi)始發(fā)展，經(jīng)過(guò)漫長(cháng)而混亂的“共同生活”后發(fā)生爆炸，形成了一對“孤立的”黑洞，并繼續圍繞彼此運轉。

美國芝加哥大學(xué)的天體物理學(xué)家丹尼爾·霍爾茲表示：“人們普遍認為，這是動(dòng)力學(xué)模型與孤立模型之間的斗爭。”

實(shí)際上，LIGO首次探得引力波的過(guò)程是快速且輕松的——在他們開(kāi)展正式觀(guān)測以前，驚喜結果便出現了，這表明雙黑洞系統在宇宙中非常普遍。如此看來(lái)，前文提到的第二種理論，也就是孤立的雙黑洞系統是主流，似乎更符合“黑洞并合廣泛出現在各種天體環(huán)境中”這一現實(shí)。而其他人則指出，2015年的并合黑洞異常巨大，它看起來(lái)更符合動(dòng)力學(xué)模型，也就是第一種理論所說(shuō)的“密集的恒星簇當中的黑洞”。用他們的話(huà)說(shuō)，這么大的黑洞只能來(lái)自早期宇宙，而早期宇宙已有星團恒星簇形成了。LIGO的最新數據顯示，孤立的雙黑洞系統的普遍性遠低于預期?？▋然仿〈髮W(xué)的天體物理學(xué)家卡爾·羅德里格斯和同事不久前發(fā)表的論文指出，星團可以“完全解釋”現在觀(guān)測到的黑洞并合的速度。

新發(fā)現的黑洞并合還為解決黑洞從何而來(lái)的難題提供了新方法。黑洞在某種意義上其實(shí)很簡(jiǎn)單：除質(zhì)量與電荷外，它唯一具備的特征就是自旋——自身旋轉速度的一種度量。如果雙黑洞系統一路從一對恒星演變而來(lái)，相伴一生，那么持久的相互作用將使它們的自旋步調一致;如果二者是在生命的中段才邂逅彼此，它們的自旋就可能呈現出非常不同的狀態(tài)。

天文學(xué)家在測量了LIGO數據集中的黑洞自旋后提出，動(dòng)態(tài)理論和孤立理論差不多。正如天體物理學(xué)家邁克爾·澤文和同事在近期預印本論文中提出的說(shuō)法，沒(méi)有“一個(gè)統轄一切的途徑”，一系列不同的途徑共同解釋不斷增長(cháng)的雙黑洞系統。

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關(guān)鍵詞： 黑洞