人类获取M87黑洞的“指纹”

作者: 江悟,沈志强,路如森(中国科学院上海天文台)

来源: 科学大院

发布日期: 2021-04-15

2021年,EHT发布了M87黑洞在偏振光下的影像,提供了有关黑洞外缘磁场结构的信息,帮助理解黑洞如何吞噬物质并发出能量巨大的喷流。此次观测还揭示了黑洞多波段联测的重要性,以及宇宙线的可能起源。

大家还记得2019年事件视界望远镜(EHT)发布的首张黑洞照片吗?这是有史以来第一张黑洞照片,首次揭开了黑洞这个宇宙中神秘天体的面纱——M87黑洞的阴影以及环绕的光环。经过近两年时间针对偏振数据的进一步处理和分析,EHT于2021年3月又发布了该黑洞在偏振光下的影像。这幅偏振图像提供了有关黑洞外缘磁场结构的信息,是理解磁场如何让黑洞“吞噬”物质并发出能量巨大的喷流的关键。

其实,在2017年对M87进行观测时,科学家还做了一件很了不起的事情。来自全球32个国家或地区近200个科研机构的760名研究人员组成的团队,通过协调包括地面和空间最先进的19台望远镜(阵),收集了M87在整个电磁波谱范围内的辐射,即对黑洞进行多波段联测。

这是迄今为止对超大质量黑洞及其喷流开展的频率覆盖最广的同步观测,将帮助我们更好地了解黑洞与喷流之间的深层联系,相关数据于2021年4月14日发表在《天体物理学杂志通讯》上。

黑洞多波段联测可以告诉我们什么?黑洞及其喷流是宇宙中最神秘也是最壮观的天体之一。超大质量黑洞的巨大引力不仅可以牵引周围物质围绕它高速旋转形成吸积盘,也可以将一部分粒子以喷流的形式往外发射,并使其以接近光速的速度传播到很远的距离。每个黑洞在各电磁波段的辐射特征均不相同,类似于人类的指纹。通过收集这些辐射的“指纹”可以使人们深入了解黑洞的性质,但面临的挑战是这些不同波段的辐射往往会随着时间变化。

2017年,在对M87进行EHT观测时,科学家预感这次可能会以前所未有的超高分辨率捕获到黑洞的图像,所以通过EHT合作成员和外部合作伙伴的共同努力,协调了包括地面和空间最先进的望远镜同步观测,以收集整个电磁波谱范围内的辐射,将时变影响降到最小。此次解读还有两大优势,一是可以从直接EHT成像结果确定黑洞周围的辐射来自相对论性电子的同步加速辐射。

科学家假定其他波段的能谱也来自相同区域时发现,它并不能提供足够强的特别是高能伽马射线波段的能谱,从而基本确定伽马射线辐射不是来自于我们看到的黑洞事件视界附近。

虽然我们现在已经目睹了黑洞的真容,并对其电磁辐射实现了全波段的准同时覆盖,但是仍然存在诸多不确定性,有待我们进一步去探索。比如,我们所能探测到的电磁辐射的产生过程是什么样的?此次发布的研究成果还有助于帮助我们了解“宇宙线”的起源。

宇宙线是不断轰击地球的高能粒子,它们的能量比地球上最强大的人工加速器大型强子对撞机产生的能量高一百万倍。此次研究表明,至少在2017年观测到的伽马射线不是在黑洞的事件视界附近产生的。最活跃的宇宙线最有可能起源于巨大的黑洞喷流,但有关细节仍有许多疑问,包括被认为最高能量的伽马射线的这类宇宙线来源的精确位置。

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