最精細黑洞噴流照片公布，對話研究人員：詳解追蹤過程與意義

　　2019年，事件視界望遠鏡（EHT）國際團隊使人們首次目睹了黑洞的真面目，如今，該團隊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》中，通訊作者為德國馬克斯普朗克研究所的天文學家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、加拿大滑鐵盧大學天文學博士生倪醇沖向澎湃新聞記者介紹，半人馬星座A作為射電星系，在無線電波段強度最高；此外該星座也是距離地球最近的射電星系，因此是EHT團隊研究的理想對象?！坝捎贑enA離我們非常遠，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論預言存在的一種天體。2019年，EHT國際團隊首次合成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，因此具有超強引力，哪怕是光子在接近它時也無法逃脫。這一使光子也無法逃脫的黑洞勢力范圍被稱作黑洞的半徑或稱作事件視界（event horizon）。一旦粒子進入視界中，朝向黑洞運行是不可避免的。

　　既然光也無法逃離黑洞的引力場，為何黑洞還會噴射出明亮的噴流？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，遠遠地噴射向宇宙。

　　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星系。

　　本次EHT觀測并非科學家首次觀察到半人馬星座噴流。早在1999年NASA的錢德拉X射線天文臺便把望遠鏡對準半人馬座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1999年至2012年期間觀測數(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)本次觀測形成的CenA黑洞噴流圖像是目前最為細致的。其以此前觀測噴流的16倍分辨率與10倍頻率成像，顯示出了噴流前所未有的細節(jié)。在該圖像中，噴流有一個黑暗的中心，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的獨特之處在于，和先前各波段的射電望遠鏡對黑洞噴流的觀測相比，此次觀測中CenA的臨邊增亮效應(yīng)非常顯著”，倪醇沖介紹。

　　這一發(fā)現(xiàn)有利于加深對噴流產(chǎn)生的理解。德國維爾茨堡大學天體物理學教授Matthias Kadler表示，“這是一個引人注目的特征，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，圖像也顯示了相對微弱的反噴流（counterjet）。“黑洞對著我們噴的是噴流，遠離我們的就叫反噴流。噴流一般比反噴流亮，因為噴流是沖向我們的?！贝送?，本次觀察到反噴流也為進一步研究CenA反噴流結(jié)構(gòu)提供了契機，倪醇沖表示。

　　此次對半人馬星座A的成像，是基于2017EHT觀測的數(shù)據(jù)。2017年4月10日，EHT對半人馬星座A進行了長達六小時的觀測。

　　EHT是一個通過國際合作實現(xiàn)的、由8個地面射電望遠鏡組成的觀測陣列。它使用了甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)，2017年觀測波段是1.3毫米。觀測時，世界各地的射電望遠鏡同步觀測，利用地球自轉(zhuǎn)，形成一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡。該望遠鏡的分辨率可達約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紙。

　　為了協(xié)調(diào)處于不同位置的射電望遠鏡數(shù)據(jù)記錄的同時性，每個望遠鏡中都放置原子鐘進行精準計時，計算精度可達10-15-10-12毫秒。此外，由于地球上不同的射電望遠鏡與觀測對象的距離存在差異，在數(shù)據(jù)整合時研究者也需要將這一距離差異考慮進去。

　　由于8臺望遠鏡無法把整個地球布滿，在觀測時無法獲得非常完整的數(shù)據(jù)。倪醇沖提到：“相當于我們觀測的時候望遠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>

　　觀測中各個望遠鏡產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)被存儲在硬盤上，空運至高度專業(yè)化的超級計算機進行合并處理，這些超級計算機位于馬普射電所和麻省理工學院海斯塔克天文臺。

　　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?！跋喈斢谖覀円ダ斫膺@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進行圖像擬合的算法主要有RML（regularized maximum likelihood model）、CLEAN和Bayesian三種?！耙虼?，我們最后得出的CenA圖像的結(jié)論不能說是原貌，而是一種最高可能性”。倪醇沖強調(diào)。

　　目前對于黑洞噴流產(chǎn)生的原因尚未達成共識性的結(jié)論。較為普遍的說法認為，噴流的直接成因是中心星體吸積盤表面的磁場沿著星體自轉(zhuǎn)軸的方向扭曲并向外發(fā)射。吸積盤是由圍繞大質(zhì)量中心天體進行軌道運動的彌散物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)。然而，也有學者認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)黑洞對其加速形成。

　　無論哪一種解釋，噴流的形成機制都與黑洞周圍的磁場結(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結(jié)構(gòu)。它帶給我們新的工具去研究黑洞噴流的機制”，倪醇沖在采訪時提到。倪醇沖認為，對于噴流的研究已經(jīng)存在各種模型與模擬，缺少的是對于噴流底部（base），即噴流產(chǎn)生之處的直接觀測。

　　據(jù)倪醇沖介紹，下一步對CenA的研究，EHT將有更多的計劃?！氨热缥艺谶M行的研究是確定噴流的結(jié)構(gòu)，然后了解它形成的機制。M87發(fā)表完了以后，整個團隊進一步研究了它的極化現(xiàn)象，我們可能會進一步研究CenA的極化。同時我們會有新的觀測數(shù)據(jù)，這樣就可以更好地確定噴流的結(jié)構(gòu)?！苯刂聊壳?，EHT共觀測了2017年、2018年與2021年三組數(shù)據(jù)，由于2019年設(shè)備維護原因與2020年的疫情耽擱，EHT并未進行觀測。

　　在EHT之后，ngEHT（next generation Event Horizon Telescope，下一代事件視界望遠鏡）項目也逐步開展。據(jù)ngEHT官網(wǎng)介紹，在EHT的基礎(chǔ)上，ngEHT將使用最先進的技術(shù)對現(xiàn)有儀器進行現(xiàn)代化改造與開發(fā)，同時通過擴大現(xiàn)有的地面射電望遠鏡序列數(shù)量以擴大望遠鏡的地理覆蓋范圍?！跋乱淮录仄骄€望遠鏡將捕獲最清晰的圖像，甚至是黑洞的視頻?！眓gEHT官網(wǎng)稱。(記者:賀梨萍)

　　轉(zhuǎn)自：澎湃新聞

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