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研究黑洞附近的物质吸积与相对论性喷流成为可能

来源:互联网 | 2019-04-21 16:46:57 | 人气: 次    

看世界导读: (图源:shao.ac.cn)来历:赛先生撰文 | 路如森(我国科学院上海地理台;德国马普射电地理研讨所)左文文 (我国科学院上海地理台)修改 | 金庄维北京时刻2019年4月10日晚9点,黑洞事情视界望

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(图源:shao.ac.cn)ZMN看世界

来历:赛先生ZMN看世界

撰文 | 路如森(我国科学院上海地理台;德国马普射电地理研讨所)ZMN看世界

左文文 (我国科学院上海地理台)ZMN看世界

修改 | 金庄维ZMN看世界

北京时刻2019年4月10日晚9点,黑洞事情视界望远镜(Event Horizon Telescope, EHT)协作组织协调举行全球六地联合新闻发布会,宣告人类初次使用一个口径如地球巨细的虚拟射电望远镜,在近邻巨椭圆星系M87的中心成功捕获世界上首张黑洞图画(图1)。ZMN看世界

这张图画的含义非同一般,它供给了黑洞存在的直接“视觉”依据,使得在强引力场下验证爱因斯坦广义相对论,详尽研讨黑洞邻近的物质吸积与相对论性喷流成为或许。ZMN看世界

那么,黑洞为什么可以成像?怎么成像?本文企图以亲历者的视点,对黑洞成像的前前后后做一解读。ZMN看世界

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图1。 M87星系中心超大质量黑洞(M87*)的图画,上方为2017年4月11日的图画,下方三个图为M87*在2017年4月5日、6日和10日的图画。图中心的暗弱区域即为“黑洞暗影”(见下文),周围的环状不对称结构是因为强引力透镜效应和相对论性射束(beaming)效应所构成的。由这种上(北)下(南)的不对称性可以定出黑洞的自旋方向。(图源:参考资料[1])ZMN看世界

黑洞与广义相对论ZMN看世界

一百多年前,爱因斯坦提出广义相对论,将时刻和空间结合为一个四维的时空,并提出引力可视为时空的歪曲。这一理论做出了不少重要预言,其间之一便是:当一个物体的质量不断塌缩,就能荫蔽在事情视界(event horizon) 之内——在这一黑洞的“势力范围”内,引力强壮到连光都无法逃脱。ZMN看世界

关于广义相对论的验证,可以追溯到一个世纪曾经。1919年5月29日,Arthur Eddington等人在日全食期间对太阳邻近光线偏折的试验丈量(图2) ,拉开了上世纪验证广义相对论的前奏,并把爱因斯坦推上了科学的“神坛”。ZMN看世界

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图2。 1919年5月29日的日食期间,在西属几内亚的普林西比岛和巴西北部的索布拉尔两地初次使用星光偏折验证广义相对论示意图。(图源:The Illustrated London News)ZMN看世界

一个世纪以来,广义相对论饱尝住了接连不断的试验验证,黑洞的存在也已得到越来越多地理观测的佐证。ZMN看世界

现在,地理学家遍及信任黑洞的确存在于世界之中,从质量为数倍到数十倍于太阳的恒星级黑洞,到高达数百万倍乃至数十亿倍太阳质量的超大质量黑洞,包罗万象。并且,超大质量黑洞存在于简直一切星系的中心。ZMN看世界

可是,即便在LIGO/Virgo勘探到引力波、然后威望性地证明黑洞存在的今日,人类仍是没有直接看到可以揭秘极点条件下时空隐秘的那个“洞”——“黑洞事情视界”。ZMN看世界

这或许正是黑洞自身的诱人之场所构成的——黑洞的细密程度让人不可思议!如果把地球压缩成一个黑洞,它的巨细和一个汤圆差不多;而一个坐落间隔地球1kpc(约3262光年)处,10倍于太阳质量的恒星级黑洞,其事情视界的角直径巨细只需0.4纳角秒。这比哈勃望远镜的分辨率还要小约1亿倍,任何现有的地理观测手法都没有这样的分辨本领!ZMN看世界

为什么黑洞能成像?ZMN看世界

已然黑洞是“黑”的,连光线都无法逃脱,那咱们又该怎么看到黑洞呢?ZMN看世界

事实上,黑洞并不是孤立存在的,它的周围存在许多气体。因为黑洞的强壮引力,气领会朝黑洞下落。而当这些气体被加热到数十亿度高温时,便会宣布激烈的辐射。一起,黑洞也会以喷流和风的方法向外喷发物质和能量[2]。ZMN看世界

广义相对论预言,咱们将会看到中心区域存在一个因为黑洞视界构成的暗影(black hole shadow),周围盘绕一个由吸积或喷流的辐射构成的光环——它状如新月,巨细依据黑洞的自旋及与观测者视野方向的不同,介于4.8-5.2倍史瓦西半径之间(注:史瓦西半径是没有自旋的黑洞的事情视界半径;一个太阳质量的黑洞的视界半径约为3千米)。ZMN看世界

在没能一睹黑洞真容的年月里,科学家经过核算了解黑洞的“样貌”。ZMN看世界

早在上世纪10年代后期,大数学家希尔伯特(David Hilbert)就核算了黑洞周围的光线曲折和引力透镜效应。ZMN看世界

70年代,James Bardeen[3]及Jean-Pierre Luminet[4]等人核算出了黑洞的图画(图3,左)。ZMN看世界

90年代后期,Heino Falcke等人针对银河系中心黑洞的状况做了具体核算,并引入了黑洞暗影的说法[5]。他们一起指出,该黑洞暗影若是“镶嵌”在周围亮堂的,光学薄(即对某一观测波长通明)的热气体中,就可以被(亚)毫米波甚长基线干与丈量技能“看到”。ZMN看世界

尔后,人们使用广义相对论磁流体动力学数值模仿,针对黑洞成像展开了许多研讨,均预言黑洞暗影的存在(如图3,右)。因而,对黑洞的暗影的成像供给了黑洞存在的直接“视觉”依据。ZMN看世界

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图3。 黑洞暗影图画(左图取自参考资料[4],右图由作者供给)ZMN看世界

什么样的黑洞最适宜成像?ZMN看世界

虽然黑洞的暗影能被“看到”,但也不是一切黑洞都契合成像条件。由前所述,黑洞是十分十分小的。可以成像的黑洞,毫无疑问角直径有必要满足大。因为黑洞事情视界的巨细与其质量成正比,这也就意味着黑洞的质量越大,事情视界就越大,也越适宜成像。因而,间隔咱们近的超大质量黑洞是完美的黑洞成像候选体。ZMN看世界

坐落人马座方向的银河系中心黑洞Sgr A* 和近邻射电星系M87的中心黑洞M87* 是两个现在已知最优的候选体。ZMN看世界

银河系中心射电源Sgr A* ,是Bruce Balick和Robert Brown使用美国国立射电地理台干与仪,于1974年发现的[6](关于其发现和命名的故事,拜见[7])。现在已有越来越多的依据标明,它是一个质量约为400万倍太阳质量的黑洞[8]。因为间隔地球约为2.6万光年[9],银河系中心黑洞的史瓦西半径约为10微角秒,其黑洞暗影的角直径巨细相应为47-50微角秒,相当于一个苹果在月球上的角直径巨细(月球的角直径约为0.5度)。ZMN看世界

M87则是坐落室女座方向的一个巨椭圆星系,间隔地球约5500万光年。早在1918年,Heber Curtis就注意到一条独特的准直光束“curious straight ray”与星系的中心相连[10]。其实,这条准直的光束正是M87的喷流,从中心宣布并延伸数千光年,成为M87最有目共睹的特征。这也使得它成为首个被认证出喷流的星系(图4)。ZMN看世界

和银河系中心相同,M87中心也有一个超大质量黑洞(现在按银心黑洞的命名习气被称为M87*),其质量约为65亿倍太阳质量。这个黑洞虽比Sgr A* 质量大1500倍,可是间隔也远了2000多倍,因而它看起来要比银心黑洞略小——其史瓦西半径约为7.6微角秒,黑洞暗影的巨细相应为37-40微角秒。ZMN看世界

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图4。 M87在不同尺度上的射电喷流(图源:参考资料[11])ZMN看世界

什么样的望远镜可以对黑洞成像?ZMN看世界

方针现已选定,下面就该“磨刀上阵”了。古人云:“工欲善其事,必先利其器”,要对黑洞成像,最好的东西莫过于甚长基线干与丈量(Very Long Baseline Interferometry, VLBI)技能。ZMN看世界

VLBI使用广为散布(间隔可达上万或几十万公里)的射电望远镜,经过各台站独立记载信号和后期对信号的归纳相关处理,取得一个巨细相当于各台站之间最大距离的巨型(虚拟)望远镜。该技能可取得地理研讨中最高的分辨本领,其分辨率θ∼λ/D,其间λ为观测波长,D为最长基线长度。假定在1毫米波长观测,一个长度为1万公里(约为地球直径)的基线可取得约21微角秒的分辨本领。VLBI使用精准到每数亿年才差错一秒的原子钟来保证望远镜搜集并记载的信号在时刻上同步,并保证信号的稳定性。ZMN看世界

自上世纪60年代后期VLBI技能完成以来,其功能跟着技能的前进得到不断提高,波长掩盖也从厘米波段扩展到现在处于世界展开最前沿的(亚)毫米波段。ZMN看世界

好像观看电视节目有必要选对频道相同,对黑洞成像而言,可以在适宜的波段进行VLBI观测至关重要。观测黑洞视界的最佳波段在1毫米邻近,并非单纯因为其高分辨本领,更有以下几个重要的考虑/优势[12]:ZMN看世界

黑洞周围气体的辐射在短毫米波段变得通明(“光学薄”)。这一点对黑洞成像至关重要,不然分辨率再高也杯水车薪。ZMN看世界

吸积气体在这个波段的辐射最亮堂。为了“看到”黑洞视界,其周围的辐射相对咱们的观测设备的灵敏度而言有必要满足“亮”。ZMN看世界

无线电波在这一波段遭到的星际散射搅扰很小。这点对银河系中心尤为重要,因为它在厘米波段及以上遭到激烈星际散射的影响,使得咱们无法看到黑洞周围辐射的内禀结构。ZMN看世界

别的,还有台站的布局、灵敏度的提高等许多重要因素也需求考虑。ZMN看世界

由此,咱们不难发现,并不是只需VLBI阵列的分辨率满足高就可对黑洞进行成功摄影!ZMN看世界

EHT及其在2017年4月的观测ZMN看世界

近年来,1.3毫米VLBI观测在Sgr A* 和M87* 中现已别离勘探到黑洞事情视界尺度上的结构,这对黑洞成像而言是十分鼓舞人心的。但遭到台站数目及灵敏度的约束,具体的成像观测一向无法展开。ZMN看世界

跟着新的、高灵敏度亚毫米波台站(尤其是Atacama Large Millimeter/submillimeter Array等)参加到全球1.3毫米-VLBI阵列,黑洞的成像观测成为或许。ZMN看世界

为了捕获第一张黑洞图画,现在由来自包含我国在内的十几个国家(区域)的200多名科学家构成了EHT这一严重世界协作方案。EHT观测所使用的技能便是(亚)毫米波VLBI,现在其作业波段在1.3毫米,并将有望扩展到0.8毫米。ZMN看世界

经过对黑洞成像,EHT可在强引力场的极点环境下验证爱因斯坦的广义相对论,并详尽研讨黑洞周围的物质吸积和喷流的构成及传达。ZMN看世界

作为对100年前爱丁顿等人验证广义相对论的回声,EHT协作者们在2017年4月份到多个世界上最高、最偏远的射电地理台,以一种爱因斯坦永久也不会想到的方法去查验他的广义相对论。ZMN看世界

参加此次观测的包含坐落世界6个地址的8个台站 (表1,图5)。 ZMN看世界

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表1。 参加EHT观测的望远镜信息,其间,ALMA,LMT,SMA和SPT的有用口径只针对2017年的观测。ZMN看世界

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图5。 2017年4月份参加EHT观测的8个VLBI台站,实线衔接的为观测M87的5个地址(7个台站;因为方位约束,坐落南极的SPT望远镜无法观测到M87),虚线衔接的为观测一个校准源(3C279)的台站。(图片由作者供给)ZMN看世界

为了添加勘探灵敏度,EHT所记载的数据量十分巨大。2017年4月份的观测中,每个台站的数据率到达惊人的32Gbit/s,8个台站在5天观测期间共记载约3500TB数据(相当于350万部电影,至少要几百年才干看完!)。ZMN看世界

EHT选用专用硬盘来记载数据,再把它们送回数据中心进行处理。在那里,研讨人员用超级核算机纠正电磁波抵达不同望远镜的时刻差,并把一切数据做互相关归纳处理,然后到达信号相干的意图。ZMN看世界

在此根底之上,经过对这些数据经过近两年时刻的后期处理和剖析,人类总算捕获了首张黑洞图画。ZMN看世界

我国科学家长时刻重视高分辨率黑洞成像研讨,在EHT世界协作构成之前就已展开了多方面具有世界显现度的相关作业。在此次EHT协作中,我国科学家在前期一起推动了EHT的协作并参加了EHT望远镜观测时刻的请求,一起帮忙JCMT望远镜展开观测并参加数据处理和成果理论剖析等,为EHT黑洞成像做出了活跃的奉献。ZMN看世界

后续更精彩,敬请期待ZMN看世界

因为对M87中心黑洞质量的不同丈量方法(气体动力学vs。恒星动力学)所得成果差了近2倍,因而能对M87*成像仍是让人稍有意外的。可是,对M87黑洞的顺畅成像绝非EHT的终点站。相反,这一令人兴奋的成果必将激起人们关于黑洞研讨的更多爱好和热心。ZMN看世界

现在,对2017年M87的观测数据仍在持续剖析中。研讨人员期望经过对辐射的偏振研讨来获取黑洞周围的磁场性质,这对了解黑洞周围的物质吸积及喷流构成至关重要。ZMN看世界

另一个最佳成像候选体——银河系中心黑洞的质量愈加确认,而之前的EHT观测成果现已标明,黑洞周围呈现“中心暗,周围(一边)亮”的结构,其整体特征巨细为5倍史瓦西半径,与广义相对论预言共同(参考资料[13]及图6)。ZMN看世界

跟着后续更多的观测台站(如Northern Extended Millimeter Array, Kitt Peak Telescope)参加EHT,以及数据质量(灵敏度)的提高,咱们彻底有理由信任,在不久的将来EHT可以取得银心黑洞愈加明晰的图画。ZMN看世界

让咱们拭目而待!ZMN看世界

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图6。 2013年使用坐落4个地址的6个VLBI台站展开针对银心黑洞的1.3毫米VLBI观测示意图,其间内嵌图给出了与观测相契合的两个最或许辐射结构的模型。注:在VLBI展开的前期或许一般在基线掩盖不太抱负的状况下,一般考虑用简略的几许模型(如高斯)来拟合观测到的(可见度)数据。许多前期的发现,比方视超光速运动[14],都是在十分有限的几条(乃至一条)基线的状况下、根据简略的几许模型做出的。(图源:Max Planck Society)ZMN看世界

作者简介ZMN看世界

路如森,我国科学院上海地理台研讨员。2010和2011年别离取得德国科隆大学和我国科学院上海地理台理学博士学位,2018年当选第十四批“千人方案”青年项目,研讨方向为高分辨率射电天体物理。ZMN看世界

左文文,我国科学院上海地理台副研讨员,2014年取得北京大学天体物理博士学位,现在从事高红移类星体研讨和科学传达作业。ZMN看世界

称谢:笔者在此感谢上海地理台沈志强研讨员及清华大学毛淑德教授对本文的主张。ZMN看世界

参考资料ZMN看世界

[1] “First M87 Event Horizon Telescope Results I: The Shadow of the Supermassive Black Hole”,The Event Horizon Telescope Collaboration, ApJL, 2019, in pressZMN看世界

[2] “黑洞周围发生了什么?”,袁峰,2017,赛先生地理ZMN看世界

[3] “Timelike and null geodesics in the Kerr metric”, Bardeen, J。 M。 1973, Black Holes (Les Astres Occlus), 215 ZMN看世界

[4] “Image of a spherical black hole with thin accretion disk”, Luminet, J。-P。 1979, A&A, 75, 228ZMN看世界

[5] “Viewing the Shadow of the Black Hole at the Galactic Center”, Falcke, H。, Melia, F。, & Agol, E。 2000, ApJL, 528, L13ZMN看世界

[6] “Intense sub-arcsecond structure in the galactic center”, Balick, B。, & Brown, R.L。 1974, ApJ, 194, 265 ZMN看世界

[7] “The Discovery of Sgr A*”, Goss, W。 M。, Brown, R。 L。, & Lo, K.Y。 2003, Astronomische Nachrichten Supplement, 324, 497 ZMN看世界

[8] “银河系中心超大质量黑洞”,沈志强,2007, 物理, 36卷, 12期: 919ZMN看世界

[9] “Trigonometric Parallaxes of High Mass Star Forming Regions: The Structure and Kinematics of the Milky Way”,Reid, M。 J。, Menten, K。 M。, Brunthaler, A。, et al。 2014, ApJ, 783, 130 ZMN看世界

[10] “Descriptions of 762 Nebulae and Clusters Photographed with the Crossley Reflector”, Curtis, H。 D。 1918, Publications of Lick Observatory, 13, 9 ZMN看世界

[11] “Relativistic Jets in Active Galactic Nuclei”,Blandford, R。, Meier, D。, & Readhead, A。 2018, arXiv e-prints , arXiv:1812.06025ZMN看世界

[12] “毫米波甚长基线干与丈量的展开与展望”,路如森, 沈志强, Krichbaum, T。 P。,科技导报,2011(07):76-81ZMN看世界

[13] “Detection of Intrinsic Source Structure at ~3 Schwarzschild Radii with Millimeter-VLBI Observations of SAGITTARIUS A*”, Lu, R。-S。, Krichbaum, T。 P。, Roy, A。 L。, et al。 2018, ApJ, 859, 60ZMN看世界

[14] Whitney, A。 R。, Shapiro, I。 I。, Rogers, A。 E。 E。, et al。 1971, Science, 173, 225 ZMN看世界

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