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人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

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发表于 2020-06-30 22:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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2020年4月初,距离全球首张黑洞照片发布一年,天文学家团队获得了一张由超大质量黑洞驱动的巨大等离子体射流的图像,这张照片显示黑洞正向外猛烈喷射大量物质。

人类历史上第二张黑洞照片.jpg
虽然这张照片依旧高糊,但它首次揭示了黑洞喷射流是呈弯曲状,颠覆了天文学家以往对黑洞辐射流呈直线状的印象。

55亿光年外的黑洞长这样

第二张黑洞照片上的超大质量黑洞位于距离地球约55亿光年外的类星体中心,从论文信息看,这张黑洞照片拍摄于2017年4月,同样由事件视界望远镜拍摄;该类星体看起来非常明亮,在很多年前就被天文学家命名为3C 279。

“类星体就是看上去类似恒星的天体,是一类离地球很远、能量很高的河外星系的活动星系核,中心是猛烈吞噬周围物质的、质量超过千万太阳质量的超大质量黑洞。”中国科学院紫金山天文台研究员刘四明告诉科技周刊记者,类星体、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,因类星体距离遥远,以及黑洞体积很小等原因,天文学家对这类天体的探索手段有限。不过,由于黑洞强大的引力,使得周围物质在落入黑洞的过程中发生“剧烈摩擦生热”,并释放出巨大的能量,类星体便成为了宇宙中最耀眼的天体,而这一次事件视界望远镜的突破就在于观测到喷流的详细结构。

天文学家在论文中称,3C 279是一颗具有显著无线电射流的光学剧变类星体,其接近光速运动的物质喷流被认为指向地球方向,由于多普勒效应呈现出比其它类星体更亮和更多变的高能辐射特征。不同于其他光学剧变类星体,3C 279中心的超大质量黑洞周围还盘旋着一个能发出强烈辐射的气体吸积盘(环绕在黑洞周围的气体和尘埃混合物),并往外喷射火焰状的高速等离子体。


有史以来最高分辨率拍到喷流.jpg
有史以来最高分辨率拍到喷流

黑洞向外喷物质,很早以前天文学家就已经了解。刘四明介绍,上个世纪五六十年代,人类对黑洞还没有直接观测证据的时候,就已经发现喷流的存在,当时天文学家就猜测这种携带巨大能量的喷流不太可能由恒星产生,于是便开始怀疑它由黑洞产生。

此前,钱德拉太空望远镜等也曾发现过类似的黑洞喷流,这次,事件视界望远镜依靠史上最高的分辨率拍到了喷流照片。

“黑洞产生喷流的过程可以通俗的解释为物质掉落黑洞时相互拥挤碰撞并发热,造成一部分物质被挤出来。”刘四明解释,其产生机制可总结为物质掉落黑洞时形成吸盘,沿着吸盘方向的物质容易掉进去;而垂直于吸盘方向的物质就容易被挤压喷射出来。

去年4月公布的世界第一张黑洞照片并没有看到喷流,对此刘四明回答,黑洞的喷流一直存在,不同的望远镜看到的喷流大小方向都不一样;此次位于德国波恩的马普射电天文研究所Jae Young Kim团队得到的有史以来最高分辨率的观测,由于喷流角度和辐射性质正好,所以可以拍到黑洞附近的喷流结构;第一次黑洞照片没拍到喷流,是因为室女座黑洞的喷流在观测视场之外。
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 楼主| 发表于 2020-06-30 22:39 | 显示全部楼层

RE: 人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

第二张黑洞照片发布后,有网友表示还是感觉模糊不清。刘四明说,虽然望远镜的分辨率有史以来最高,但依然有限。有趣的是,拍摄这张照片只用了4天,“修图”却花了3年;这4天内,天文学家收集到了大量的数据,然后汇总到马克斯射电天文学研究所和麻省理工学院的超级计算机上,进行分析与合成,随后历经3年才问世。

喷流弯曲突破天文学家假想

2017年4月,天文学家通过超高角分辨率技术——1.3mm(230GHz)VLBI技术(甚长基线干涉测量技术,一种用于射电天文学中的天文干涉测量方法)对3C 279的中心喷射流的精细结构进行了4次观测,最终发现该喷射流底部的弯曲形态。

这与天文学家以往的认知有很大的差距,在拍摄到这张照片之前,天文学家假想黑洞的喷射流是呈直线状;但第二张照片揭示了喷射流底部似乎是弯曲的。

至于喷流为什么是弯曲的,刘四明解释,一直以来,科学家们观测到的黑洞喷流尺度比星系尺度还要大,在整个大尺度上,喷流总体就是一条直线,这是基本的观测事实。这次喷流呈弯曲状,刘四明猜测与磁场有关,“掉落黑洞中物质被挤压加热后完全电离(在动能作用下,原子、分子形成离子的过程)产生磁场,磁场就像一个拉不断的橡皮筋,你越拉它越强;此次照片显示的弯曲状喷流很可能代表磁场的一种结构,磁场在吸盘里被拉弯,便造成喷流弯曲的现象。”

哈佛大学和史密森大学天体物理中心则认为,这或许是喷射过程中的冲击波和不稳定性,导致了喷流的扭曲形状。也有科学家认为,这可能与高能的伽马射线有关。总之,对于这个现象,天文学家还没有一个统一的解释,目前也只能靠提出各种假说然后由未来观测验证。

喷流背后,探寻星系演化的秘密

研究黑洞喷流有什么意义?刘四明表示,喷流是黑洞非常显著的观测特征,喷流也携带了巨大的能量并产生辐射,通过光学望远镜看到的黑洞喷流亮度甚至高于整个星系的亮度;所以研究喷流喷出来的物质,对研究喷流所在整个星系的形成演化都有重要的作用。

“喷流是宇宙中一种非常剧烈的能量释放事件,它影响的尺度从黑洞附近一直到整个星系外面,影响范围极大,对整个宇宙结构和星系演化都有重要的影响。”刘四明说,喷流还可以解答黑洞是如何进食和生长的,黑洞并不会全部吞噬吸盘里的物质,而是抛出其中一部分,至于吞得多还是抛的多,有很大的不确定性。

总之,黑洞喷流在星际结构演变中的重要性不言而喻,它的真实照片不仅可以帮助天文学家推演星系中壮观喷流是如何形成并影响星系演化的,还可能颠覆人类此前对黑洞,甚至引力、宇宙的认知,正如这一次的照片,就是从喷流和气体吸积盘的层面为天文学家带来了新的发现和信息。而随着事件视界望远镜探测深度的加强,未来还将有更多有意思的现象被发现。

拍到喷流照片的下一步研究方向是什么?刘四明认为,这次拍摄到的黑洞和去年那个相比要远很多,这表明事件视界望远镜的整体研究方向在扩大,结合高分辨率的观测,将把整个超大质量黑洞以往的研究分支慢慢统一起来。“既然我们现在可以看到黑洞附近的景象,可以验证爱因斯坦的广义相对论;将来也有可能就发现一些问题和证据,表明这套理论可能还不够完善。”

刘四明还透露,他的同事袁强研究员正在研究黑洞附近一些超出粒子物理标准模型的现象,他们相信黑洞附近存在大量叫“轴子”的粒子;如果真实存在,会对黑洞成像有一定影响;他们正在通过事件视界望远镜,探索“轴子”存在的证据。


图片来源:《天体学与天体物理学》期刊
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CDer:000262614
发表于 2020-06-30 22:59 | 显示全部楼层
我现在只想知道天文界对马斯克的看法......
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CDer:000712983
发表于 2020-06-30 23:04 | 显示全部楼层

RE: 人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

gsjdgh 发表于 2020-06-30 22:59
我现在只想知道天文界对马斯克的看法......

问问国内也行,天文界对于手机信号和市政灯光的看法。
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CDer:000262614
发表于 2020-06-30 23:08 | 显示全部楼层

RE: 人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

惨死街头 发表于 2020-06-30 23:04
问问国内也行,天文界对于手机信号和市政灯光的看法。

手机信号?干扰射电望远镜?有这么厉害?
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CDer:000712983
发表于 2020-06-30 23:44 | 显示全部楼层

RE: 人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

gsjdgh 发表于 2020-06-30 23:08
手机信号?干扰射电望远镜?有这么厉害?

引用别人的说法:
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为确保大射电望远镜在工作中不受干扰,大射电望远镜5公里核心区为“静默区”,屏蔽所有移动信号。游客进入大射电观景台前,凭景区门票在游客服务中心扫码寄存个人手机、数码相机、智能手环等一切电子产品。目前,景区内已设置多个有线电话亭,游客可免费拨打国内电话。为减少人流密集对望远镜的干扰,每天景区接待游客限量2000人。
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CDer:001158309
发表于 2020-07-01 00:40 超大游击队员 | 显示全部楼层

Re.人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

惨死街头 发表于 2020-06-30 23:04:11
问问国内也行,天文界对于手机信号和市政灯光的看法。
反正目前兴隆观测站已经受到周边的影响了,LAMOST的设备潜能受限也有光污染的锅
国内天文台址自然条件最适合的在西藏和新疆,但目前建设难度还是不小(例如无人区补给问题之类的),除此之外就是去夏威夷/智利阿塔卡玛沙漠/加纳利群岛/南极这几个地方。这方面智力和南极的台址可行性比较高,但南极同样存在自然环境恶劣的问题(前段时间看到说智利政府已经给中国提供了一个条件很好的台址)
星链在天文圈内几乎都是闹心的事,尤其是光学观测领域。正好再过三五年国际上要有一批三十米级的大望远镜要投入使用,我总感觉它们有种生不逢时的味道。(目前单口径最大的光学镜也就是十米左右)
估计天文界(这里主要指光学红外波段)再往后发展就是大造空间望远镜和月基望远镜了
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CDer:000088239
 楼主| 发表于 2020-07-01 00:54 | 显示全部楼层

RE: 人类历史上第二张黑洞照片:弯曲喷流

双层倒影 发表于 2020-07-01 00:40
反正目前兴隆观测站已经受到周边的影响了,LAMOST的设备潜能受限也有光污染的锅
国内天文台址自然条件最适 ...

可是弄不过米国啊  无奈啊

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