新技术让科学家更清楚的看到银河系中心黑洞

中国商融网 2019-06-12

一个几乎难以想象的巨大黑洞位于银河系的中心。它被称为超大质量黑洞(SMBH),天文学家认为几乎所有的大质量星系都有一个黑洞位于它们的中心。但是,没有人真正见过:这一切都是基于证据,而不是直接观察。

银河系的超大质量黑洞被称为人马座A*。它的质量大约是太阳的400万倍。科学家们之所以知道它的存在,是因为我们可以观察到它对离它很近的物质所产生的影响。由于一组科学家使用了一种叫做干涉测量学的技术,现在我们对人马座A*有了一个最好的看法。

像人马座A*这样的黑洞利用强大的引力将气体和尘埃吸引向它,气体和尘埃围绕着洞旋转。以某种方式辐射出大量的能量,天文学家可以看到这种辐射能量。但是天文学家并不能确切地确定是什么释放了这种能量。是不是来自旋转的物质?还是来自从黑洞中喷出的物质?

哈佛-史密森天体物理学中心(CFA)的迈克尔·约翰逊(Michael Johnson)说:“来自人马座A*的辐射源已经争论了几十年,一些模型预测辐射来自被黑洞吞没的物质盘,而另一些模型则将其归因于从黑洞射出的物质射流。如果没有对黑洞更清晰的观察,我们就不能排除这两种可能性。”

新技术让科学家更清楚的看到银河系中心黑洞

超大质量黑洞周围为活跃星系提供能量的吸积盘的想象图。天文学家想知道,银河系超大质量黑洞所辐射的能量是由喷出黑洞的物质喷出,还是由黑洞附近旋转物质的吸积盘引起的。

因此,了解黑洞意味着天文学家需要更清楚地观察黑洞区域。但是人马座A*被我们和星系中心之间密密麻麻的电子云遮蔽了。这些云模糊并扭曲了我们对黑洞的看法。

一组天文学家已经成功地透过这些电子云来更清楚地看到人马座A*正在发生的事情。这支队伍由拉德堡大学博士研究生莎拉·伊索恩(Sara Issaoun)领导。他们依靠一种叫做甚长基线干涉测量(VLBI)的技术。

结果如何呢?这是迄今为止我们对银河系超大质量黑洞所发生的最清晰的图像之一。

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全球毫米级VLBI阵列

干涉测量是一种利用多个望远镜对远距离物体进行更有效成像的技术。距离越远,基线越长,有效孔径越大。利用本研究中使用的甚长基线干涉测量技术,各个望远镜横跨全球,创造了一种巨大的虚拟望远镜。

但是还有其他的干涉仪,但他们没有将人马座A*看得那么清楚。这项研究背后的团队在干涉测量方面取得了另一项进展。他们为智利强大的ALMA(阿塔卡马大型毫米波阵列)装备了一种新的电子设备,称为相位系统。这使得已经是干涉仪的ALMA加入了另一个名为GMVA(全球3毫米VLBI阵列)的其他12台望远镜网络。顾名思义,GMVA已经是一种非常长的基线干涉仪。因此,GMVA和ALMA的结合创造了一种超级VLBI。

哈佛-史密森天体物理学中心的舍普·多尔曼(Shep Doeleman)说:“ALMA本身就是一个由50多个无线电盘组成的集合。新的ALMA相位系统的神奇之处在于,所有这些无线电盘都能像一个望远镜一样工作,其灵敏度相当于一个直径超过75米的无线电盘。这种敏感性,以及它在安第斯山脉的高位置,使它成为人马座A*研究的完美选择。”

射电天文学家林迪·布莱克本(Lindy Blackburn)解释道:“图像质量的突破来自两个因素,通过高频观测,来自星际物质的图像损坏不那么严重,加上ALMA,我们的仪器分辨率提高了一倍。”

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左上角:在86GHz下模拟人马座A*时没有星际散射。右上角:星际散射模拟。右下角:观察到的人马座A*图像。左下角:消除星际散射效应后观察到的人马座A*图像。

那么,科学家们从这一创新中学到了什么呢?这些优越的图像是如何帮助他们理解我们的超大质量黑洞的?

新的图像显示,来自人马座A*的辐射具有对称的形态,而且比预期的要小-它的跨度仅为3亿分之一度。伊索恩解释说:“这可能表明无线电发射是在一个不断衰减的气体盘中产生的,而不是由无线电喷射产生的。”伊索恩根据这些图像进行了计算机模拟测试。然而,与其他发射无线电的黑洞相比,这将使人马座A*成为一个例外。另一种可能是无线电喷射几乎直接指向我们。

关于人马座A*辐射的能量有很多争论。无论是来自吸积盘中旋转、加热的物质,还是从远离黑洞的物质射流中产生的物质。这可能取决于我们位置所在。

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这张展示了一个“进食”或活跃的超大质量黑洞,射流向外流动的速度接近光速。这种活跃的黑洞经常出现在椭圆星系的中心。如果一个喷流恰好照射在地球上,这个物体就被称为耀变体。

伊索恩的导师是拉德堡大学射电天文学教授海诺·法尔克(Heino Falcke)。法尔克对这一结果感到惊讶,去年,法尔克认为这种新的喷射模型是不可能的。但最近,另一组研究人员使用ESO的超大型光学望远镜干涉仪和一种独立的技术得出了类似的结论。法尔克总结道,“也许这是真的,我们正从一个非常特殊的角度来看待这只野兽。”

天文学家对人马座A*的研究还没有结束。他们计划越来越细致的来观察这个超大质量的黑洞。人马座A*在86GHz的首次观测可以追溯到26年前,当时只有几个望远镜。多年来,随着更多望远镜的加入,数据质量稳步提高。

接下来是视界望远镜(EHT)

视界望远镜是一项旨在调查黑洞周围环境的国际合作项目。它不是一个望远镜,而是一个由全球范围内的射电望远镜组成的相互连接的系统,所有这些望远镜都使用干涉测量技术共同工作。通过在多个位置用多个无线电天线测量黑洞周围区域的电磁能量,可以推导出源的一些性质。

天文学家花了四年时间利用EHT来研究超大质量黑洞人马座A*。这一时期于2017年4月结束,但一个由200名科学家和工程师组成的团队仍在研究这些数据。到目前为止,他们只发布了他们看到的计算机模型图像。

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使用事件视界望远镜的研究人员希望生成像超大质量黑洞人马座A*这样的图像

迈克尔·约翰逊很乐观。“如果ALMA同样成功地以更高的频率加入了视界望远镜,那么这些新的结果表明,星际散射不会阻止我们一直向下窥视黑洞的事件视界。”