最精細(xì)黑洞噴流照片公布，對(duì)話研究人員：詳解追蹤過程與意義

　　2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）國際團(tuán)隊(duì)使人們首次目睹了黑洞的真面目，如今，該團(tuán)隊(duì)以前所未有的精度捕捉到了半人馬座A中心黑洞的巨大噴流。這也是人類目前獲得最精細(xì)黑洞噴流圖像。

　　此外，圖像也顯示了半人馬座A（CenA）黑洞噴流明顯的邊緣增亮效應(yīng)，這對(duì)既有的黑洞噴流理論模型構(gòu)成挑戰(zhàn)。該研究結(jié)果于近日發(fā)表在《自然-天文學(xué)》中，通訊作者為德國馬克斯普朗克研究所的天文學(xué)家Michael Janssen。

　　本次黑洞噴流的圖像來自半人馬座A（CenA），距離地球約1300萬光年。據(jù)該研究論文作者之一、加拿大滑鐵盧大學(xué)天文學(xué)博士生倪醇沖向澎湃新聞?dòng)浾呓榻B，半人馬星座A作為射電星系，在無線電波段強(qiáng)度最高；此外該星座也是距離地球最近的射電星系，因此是EHT團(tuán)隊(duì)研究的理想對(duì)象?！坝捎贑enA離我們非常遠(yuǎn)，我們無法直接觀察到其黑洞，但卻能從大結(jié)構(gòu)尺度上關(guān)注它的噴流?！蹦叽紱_說。

　　黑洞，是100多年前愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言存在的一種天體。2019年，EHT國際團(tuán)隊(duì)首次合成M87星系黑洞圖片，是人類首次直接“看見”黑洞。黑洞由于質(zhì)量巨大，因此具有超強(qiáng)引力，哪怕是光子在接近它時(shí)也無法逃脫。這一使光子也無法逃脫的黑洞勢(shì)力范圍被稱作黑洞的半徑或稱作事件視界（event horizon）。一旦粒子進(jìn)入視界中，朝向黑洞運(yùn)行是不可避免的。

　　既然光也無法逃離黑洞的引力場(chǎng)，為何黑洞還會(huì)噴射出明亮的噴流？Janssen解釋，超大質(zhì)量黑洞能夠憑借巨大的引力吸引絕大多數(shù)周圍的氣體和塵埃，然而，也有一些周圍的粒子在被捕捉前的瞬間逃脫，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地噴射向宇宙。

　　這些噴流可以從黑洞向外延伸數(shù)十億光年，甚至比整個(gè)星系更長更寬。以此次半人馬座A黑洞為例，據(jù)Janssen介紹，這些噴流幾乎延伸至整個(gè)星系。

　　本次EHT觀測(cè)并非科學(xué)家首次觀察到半人馬星座噴流。早在1999年NASA的錢德拉X射線天文臺(tái)便把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)半人馬座A，數(shù)據(jù)合成的圖片上，巨大的噴流從中央超大質(zhì)量黑洞中噴射而出。對(duì)1999年至2012年期間觀測(cè)數(shù)據(jù)的整合形成了CenA的多波段合成圖像。

　　然而，相比于以往圖像，EHT根據(jù)本次觀測(cè)形成的CenA黑洞噴流圖像是目前最為細(xì)致的。其以此前觀測(cè)噴流的16倍分辨率與10倍頻率成像，顯示出了噴流前所未有的細(xì)節(jié)。在該圖像中，噴流有一個(gè)黑暗的中心，兩側(cè)有兩條明亮的條紋。這一物體邊緣看起來變得更亮的效應(yīng)被稱作臨邊增亮（limb brightening）?！癈enA的獨(dú)特之處在于，和先前各波段的射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)黑洞噴流的觀測(cè)相比，此次觀測(cè)中CenA的臨邊增亮效應(yīng)非常顯著”，倪醇沖介紹。

　　這一發(fā)現(xiàn)有利于加深對(duì)噴流產(chǎn)生的理解。德國維爾茨堡大學(xué)天體物理學(xué)教授Matthias Kadler表示，“這是一個(gè)引人注目的特征，由此我們能夠排除無法重建邊緣增亮情況的理論噴射模型，這有助于我們更好地理解黑洞產(chǎn)生的的噴流”。此外，本次CenA噴流圖像還顯現(xiàn)出一些有趣的特征。除了觀察到噴流，圖像也顯示了相對(duì)微弱的反噴流（counterjet）?！昂诙磳?duì)著我們噴的是噴流，遠(yuǎn)離我們的就叫反噴流。噴流一般比反噴流亮，因?yàn)閲娏魇菦_向我們的。”此外，本次觀察到反噴流也為進(jìn)一步研究CenA反噴流結(jié)構(gòu)提供了契機(jī)，倪醇沖表示。

　　此次對(duì)半人馬星座A的成像，是基于2017EHT觀測(cè)的數(shù)據(jù)。2017年4月10日，EHT對(duì)半人馬星座A進(jìn)行了長達(dá)六小時(shí)的觀測(cè)。

　　EHT是一個(gè)通過國際合作實(shí)現(xiàn)的、由8個(gè)地面射電望遠(yuǎn)鏡組成的觀測(cè)陣列。它使用了甚長基線干涉測(cè)量（VLBI）技術(shù)，2017年觀測(cè)波段是1.3毫米。觀測(cè)時(shí)，世界各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測(cè)，利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡的分辨率可達(dá)約20微角秒，足以讓人在巴黎的一家咖啡館直接閱讀到紐約的報(bào)紙。

　　為了協(xié)調(diào)處于不同位置的射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)記錄的同時(shí)性，每個(gè)望遠(yuǎn)鏡中都放置原子鐘進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，計(jì)算精度可達(dá)10-15-10-12毫秒。此外，由于地球上不同的射電望遠(yuǎn)鏡與觀測(cè)對(duì)象的距離存在差異，在數(shù)據(jù)整合時(shí)研究者也需要將這一距離差異考慮進(jìn)去。

　　由于8臺(tái)望遠(yuǎn)鏡無法把整個(gè)地球布滿，在觀測(cè)時(shí)無法獲得非常完整的數(shù)據(jù)。倪醇沖提到：“相當(dāng)于我們觀測(cè)的時(shí)候望遠(yuǎn)鏡的鏡面上面有大量空的地方，因此增大了它大量不確定性，也增大了圖像擬合上的難度?！?/p>

　　觀測(cè)中各個(gè)望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在硬盤上，空運(yùn)至高度專業(yè)化的超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行合并處理，這些超級(jí)計(jì)算機(jī)位于馬普射電所和麻省理工學(xué)院海斯塔克天文臺(tái)。

　　初步處理的數(shù)據(jù)將與各種算法得出的圖像的理論模型相擬合?！跋喈?dāng)于我們要去理解這些數(shù)據(jù)，通過不同EHT小組成員使用的不同算法，還原出可能性最高的圖像”。倪醇沖介紹。目前，EHT進(jìn)行圖像擬合的算法主要有RML（regularized maximum likelihood model）、CLEAN和Bayesian三種?！耙虼耍覀冏詈蟮贸龅腃enA圖像的結(jié)論不能說是原貌，而是一種最高可能性”。倪醇沖強(qiáng)調(diào)。

　　目前對(duì)于黑洞噴流產(chǎn)生的原因尚未達(dá)成共識(shí)性的結(jié)論。較為普遍的說法認(rèn)為，噴流的直接成因是中心星體吸積盤表面的磁場(chǎng)沿著星體自轉(zhuǎn)軸的方向扭曲并向外發(fā)射。吸積盤是由圍繞大質(zhì)量中心天體進(jìn)行軌道運(yùn)動(dòng)的彌散物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)。然而，也有學(xué)者認(rèn)為由于形成噴流需要驚人的能量，一些黑洞噴流是由旋轉(zhuǎn)黑洞對(duì)其加速形成。

　　無論哪一種解釋，噴流的形成機(jī)制都與黑洞周圍的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)?！斑@次CenA的觀察使我們能夠具體研究黑洞周圍的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。它帶給我們新的工具去研究黑洞噴流的機(jī)制”，倪醇沖在采訪時(shí)提到。倪醇沖認(rèn)為，對(duì)于噴流的研究已經(jīng)存在各種模型與模擬，缺少的是對(duì)于噴流底部（base），即噴流產(chǎn)生之處的直接觀測(cè)。

　　據(jù)倪醇沖介紹，下一步對(duì)CenA的研究，EHT將有更多的計(jì)劃。“比如我正在進(jìn)行的研究是確定噴流的結(jié)構(gòu)，然后了解它形成的機(jī)制。M87發(fā)表完了以后，整個(gè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了它的極化現(xiàn)象，我們可能會(huì)進(jìn)一步研究CenA的極化。同時(shí)我們會(huì)有新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這樣就可以更好地確定噴流的結(jié)構(gòu)。”截至目前，EHT共觀測(cè)了2017年、2018年與2021年三組數(shù)據(jù)，由于2019年設(shè)備維護(hù)原因與2020年的疫情耽擱，EHT并未進(jìn)行觀測(cè)。

　　在EHT之后，ngEHT（next generation Event Horizon Telescope，下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡）項(xiàng)目也逐步開展。據(jù)ngEHT官網(wǎng)介紹，在EHT的基礎(chǔ)上，ngEHT將使用最先進(jìn)的技術(shù)對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行現(xiàn)代化改造與開發(fā)，同時(shí)通過擴(kuò)大現(xiàn)有的地面射電望遠(yuǎn)鏡序列數(shù)量以擴(kuò)大望遠(yuǎn)鏡的地理覆蓋范圍。“下一代事件地平線望遠(yuǎn)鏡將捕獲最清晰的圖像，甚至是黑洞的視頻。”ngEHT官網(wǎng)稱。(記者:賀梨萍)

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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