科學家們找到了研究黑洞近域的全新方式

黑洞M87*，圖源EHT合作

科學家們正從首張黑洞成像了解到重要的新情況，其中除了與愛因斯坦理論有關的一致行為，還以一個十分不穩(wěn)定的搖擺環(huán)向我們展示了意想不到的新面貌。

似乎是很久之前的事了，在2019年4月我們終于看到了一直以來不可視的黑洞，當這張讓人覺得不可思議的超大質量黑洞圖像發(fā)布時我們終于得以一飽眼福。當然，我們無法真實地“看見”黑洞，因為哪怕一個六歲的小孩子都會樂于告訴你黑洞有吸走光的超能力。而這張圖片所展示的是一個不對稱環(huán)，就像一個黑洞的影子，由超熱氣體旋流圍繞著黑洞的事件穹界形成的，而在黑洞的邊界光無法逃逸。

這個典型的黑洞是太陽的6.5倍，坐落在距離我們5500萬光年的梅西耶87星系中，簡稱M87。這個黑洞，記為M87*，由視界望遠鏡攝于2019年4月，是一個歷史性的科學成就。這個圖像提供了一個M87*的靜態(tài)視圖，但本周發(fā)表在《天體物理學雜志》上的最新研究表明，這是一個我們了解黑洞及其周圍空間是如何隨時間變化的好機會。

圖展示了測量環(huán)直徑的一致性。資料圖：威格爾斯先生和EHC合作。

擁有EHT項目的天文學家在2017年的四月對M87*進行了為期一周的觀測，一周時間并不足以人們去跟蹤系統(tǒng)的動態(tài)方面，像它們的形狀變化。然而科學家通過研究EHT在2009年的數(shù)據(jù)檔案已經(jīng)完成了這個研究。

“我們想要看到黑洞十年的變化歷程，沒有什么能替代十年以來的數(shù)據(jù)?！瘪R切克·維爾格斯說，他是哈佛和史密森大學天體物理中心的天文學家，也是這篇新論文的主要作者。

EHT是一個大型望遠鏡陣列，由戰(zhàn)略性擺在全球不同地方的望遠鏡組成。該系統(tǒng)在2017年實現(xiàn)了全功率運行，并在五個不同的位置安裝了天線，正如馬克思·普朗克射電天文學研究所發(fā)布的新聞稿所描述的那樣，它們組成了一個“地球大小的無線電天線”。重要的是，EHT陣列的早期原型在系統(tǒng)建造過程中收集了重要的天文信息。特別是在2009年到2012年間在三個不同的位置觀察到巨大的黑洞，2013年更是從四個位置中看到了黑洞。

“即便這樣的觀察到的數(shù)據(jù)不足以生成圖像，也足夠去建立簡單的模型了?！弊髡咴谛碌恼撐闹袑懙?。

一種統(tǒng)計建模技術，加上一些合理的推測，能夠讓研究人員們繪制出階段內系統(tǒng)隨時間變化的圖表，這里包括了EHT一直持續(xù)到2019年觀察和收集到的數(shù)據(jù)。

正如模型所展示的，這個物體在過去的十年里整體形狀保持不變，這對愛因斯坦的粉絲來說是個好消息。這個有固定直徑的新月形陰影的黑洞與他著名的廣義相對論的預測一致。

“在該研究里，我們發(fā)現(xiàn)一般形態(tài)或不對稱環(huán)很有可能持續(xù)存在很多年，”秋山和津哈佛和史密森學會發(fā)布的新聞稿中寫道，他是MIT的科學家和該論文的合著者，“這是一個關于天體物理系統(tǒng)解釋的重要證實，【多項觀察結果】的一致性讓我們對研究M87*的性質和陰影來源有了更多的信心?！?/p>

撇開這些恒定維持的東西不談，天文學家發(fā)現(xiàn)到了重要的差異，不對稱環(huán)出現(xiàn)很明顯的搖擺。不對稱環(huán)的形狀在過去十年內不曾改變過，但現(xiàn)在發(fā)生了旋轉。

“確切地說，我們在這里看到了很多的變化。”威爾格斯說。

托馬斯克里奇鮑姆是一個MPIfRA的天文學家，也是這篇文章的合著者，他說：“數(shù)據(jù)分析表明，環(huán)的取向和精細結構隨時間而變化?！边@是很重要的，因為它提供了一個關于“圍繞著整個事件視界的吸積流動力學結構的第一印象”他在馬克斯普朗克新聞稿中解釋說。

對于M87*而言，物質流入黑洞的速率似乎是可變的。正如作者推測的那樣，由于磁場作用，環(huán)中發(fā)光的氣體處于高度紊流狀態(tài)，這也是導致黑洞隨時間推移出現(xiàn)變化的原因。這是一個讓人興奮的發(fā)現(xiàn)，因為“擺動的動力學似乎允許我們‘測量’該吸積流”阿納圖亞說。

在該文章里，我們已經(jīng)進入一個黑洞近域的全新研究領域。天文學家現(xiàn)在可以追蹤這個奇異系統(tǒng)隨時間的變化，而且他們不僅可以研究吸積流，還可以研究相關的現(xiàn)象，例如相對論論噴流。對于高能粒子相對論噴流的物理特性，論文的合著者理查德阿納圖亞解釋說它是理解黑洞所在星系與周圍介質相互作用的關鍵。對吸積流的觀測還能夠給科學家提供另一種方式去檢驗迄今為止一直很有說服力的相對論。

BY: George Dvorsky

FY: 紅燒

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