宇宙深處,定格黑洞“全景”(科技自立自強(qiáng))
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對人類首次“看見”的M87中心黑洞,科學(xué)家又有新的觀測進(jìn)展。近日,中科院上海天文臺研究員路如森領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì),首次對該黑洞的陰影及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行成像。這張“全景”照片使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。
4年前,一張來自宇宙深處的“甜甜圈”狀黑洞照片引起轟動。2019年4月10日,“事件視界望遠(yuǎn)鏡”項(xiàng)目發(fā)布第一次拍到的黑洞照片,黑洞位于室女座一個巨橢圓星系M87的中心。
如今,人類首次“看見”的黑洞,有了“全景”照。日前,由中國科學(xué)院上海天文臺路如森研究員領(lǐng)銜的一個國際研究團(tuán)隊(duì),通過在毫米波段的觀測,首次對M87中心黑洞的陰影及其周圍環(huán)狀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大噴流一同進(jìn)行了成像。
路如森介紹,此次的觀測結(jié)果由全球毫米波甚長基線干涉測量陣列(GMVA)聯(lián)合阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)和格陵蘭望遠(yuǎn)鏡(GLT)獲得。相關(guān)成果4月26日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
更全面地了解黑洞周圍的物理過程
噴流是一種天文現(xiàn)象,看上去像一條火焰柱。人們將具有定向、狹長、高速的電離物質(zhì)外流稱為噴流。噴流廣泛存在于宇宙中的許多天體中,如形成中的恒星、爆發(fā)中的激變變星、吸積中的黑洞等。
路如森說:“當(dāng)噴流中物質(zhì)速度接近光速時,該噴流被稱為相對論性噴流。大部分相對論性噴流與星系中心的超大質(zhì)量黑洞有關(guān)?!?/p>
早在1918年,天文學(xué)家就已經(jīng)觀測到噴流,但是噴流與黑洞到底是什么關(guān)系?百年來,謎團(tuán)始終未解。觀測工作正是在一步步地試圖解開這個謎團(tuán)。而M87中心黑洞距離地球僅5500萬光年,質(zhì)量約為65億個太陽,非常適合拍照研究。
“M87有著明亮的長達(dá)5000光年的噴流,而M87中心黑洞正是噴流的源頭。因此,給它拍照可以幫助我們理解黑洞附近的環(huán)境,觀察黑洞周圍的物質(zhì)是如何繞轉(zhuǎn)、掉進(jìn)或被噴出的,進(jìn)而研究黑洞和噴流的關(guān)系?!甭啡缟f,黑洞周圍的物質(zhì)被認(rèn)為是在一個被稱為吸積的過程中落入黑洞的,但是從來沒有人直接對它進(jìn)行過成像,“以前我們曾在單獨(dú)的圖像中分別看到過黑洞和噴流,但這次在一個新的波段將M87中心黑洞的陰影以及其周圍吸積流和噴流呈現(xiàn)在同一張照片之中?!?/p>
“我們觀測到M87中心黑洞在3.5毫米波長的圖像也呈現(xiàn)‘甜甜圈’形態(tài),比之前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’在1.3毫米波長觀測到的‘甜甜圈’大了近50%,相當(dāng)于月球上的宇航員回望地球時看一個直徑13厘米的環(huán)形補(bǔ)光燈的大小?!甭啡缟f。
據(jù)了解,在新的圖像中可以看到落入黑洞的物質(zhì)產(chǎn)生了額外的輻射,這使天文學(xué)家能夠更全面地了解黑洞周圍的物理過程。
協(xié)調(diào)南北半球射電望遠(yuǎn)鏡開展同步觀測
如果說“事件視界望遠(yuǎn)鏡”拍攝的照片是M87中心黑洞的“特寫”,那么,此次科研團(tuán)隊(duì)拍攝到的就是M87中心黑洞的“全景”:有黑洞、黑洞周圍的吸積流以及從吸積盤附近延伸向遠(yuǎn)處的噴流。
“事件視界望遠(yuǎn)鏡”由8臺射電望遠(yuǎn)鏡或陣列組成,大部分射電望遠(yuǎn)鏡布局在北半球,空間采樣較為稀疏。此次參與觀測的射電望遠(yuǎn)鏡陣列增加到了16臺,尤其是南半球射電望遠(yuǎn)鏡的“助陣”,大大提高了觀測拍攝的分辨率和靈敏度,使得研究團(tuán)隊(duì)首次在3.5毫米波長對M87中心黑洞周圍的環(huán)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。
然而,要協(xié)調(diào)遍布全球的射電望遠(yuǎn)鏡同步觀測絕非易事。
“在這一頭,太陽落山了,望遠(yuǎn)鏡看不到了,而另一個地方,太陽剛剛升起,觀測正當(dāng)時?!甭啡缟f,對人類天文學(xué)事業(yè)孜孜不倦的共同追求,讓研究團(tuán)隊(duì)不畏艱辛,克服了時差、地域等困難,最終完成了2018年4月14日至15日長達(dá)十幾個小時的觀測拍攝。而后,又經(jīng)過了長達(dá)5年的數(shù)據(jù)處理和成像工作,得到這張彌足珍貴的新照片?!啊疀_洗照片’和理論解釋的過程同樣傾注了全球科學(xué)家的心血,沒有國際科研合作,就無法完成如此艱巨繁瑣的工作?!甭啡缟f。
接下來還要為黑洞拍攝動態(tài)照片
對M87中心黑洞的探索并沒有結(jié)束,進(jìn)一步的觀測和強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡陣列將繼續(xù)揭開它的神秘面紗。
研究團(tuán)隊(duì)透露,下一步的目標(biāo)是與“事件視界望遠(yuǎn)鏡”一起拍攝“彩色黑洞”。所謂“彩色”就是在不同的觀測波長上給黑洞拍照。由于不同波長的電磁輻射揭示了黑洞附近不同的物理過程,相比于“單色黑洞”,“彩色黑洞”將帶給我們更多信息,幫助我們更好理解黑洞本身,以及它和周圍環(huán)境的關(guān)系。
路如森說:“我們將拍攝更清晰的3.5毫米波長照片,結(jié)合‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’未來拍攝的更清晰的1.3毫米波長照片,未來下一代‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’拍攝的0.8毫米波長照片,以及在更遙遠(yuǎn)的未來空間甚長基線干涉測量拍攝的更短波長的照片,我們可以得到黑洞的‘彩色照片’。”
“為了揭示M87中心超大質(zhì)量黑洞及其相對論性噴流的形成、加速、準(zhǔn)直傳播的物理機(jī)制之謎,我們需要拍攝更多色的高質(zhì)量圖像,包括在0.8毫米波長或更短的亞毫米波波長的黑洞照片,以及在長至7.0毫米波長的黑洞和噴流的全景圖像,未來非常令人期待?!鄙虾L煳呐_臺長沈志強(qiáng)研究員補(bǔ)充說。
研究團(tuán)隊(duì)的另一個目標(biāo)是拍攝“動態(tài)黑洞”。黑洞并不是靜止的,它每時每刻都在和周圍環(huán)境相互作用,因此不同時刻看它,它是不一樣的。拍攝“動態(tài)黑洞”將在空間維度上再解鎖時間維度,讓我們能夠全方位地觀測和理解黑洞。
由于M87中心黑洞變化緩慢,需要長時間的監(jiān)測來拍攝它的變化?!笆录暯缤h(yuǎn)鏡”在過去幾年進(jìn)行了多次的連續(xù)成像觀測,未來5年也有持續(xù)的觀測計(jì)劃。
路如森說:“針對快速變化的銀心黑洞,目前‘事件視界望遠(yuǎn)鏡’的望遠(yuǎn)鏡分布不足以實(shí)現(xiàn)‘快拍模式’的動態(tài)攝影,‘丟幀’嚴(yán)重。但隨著未來幾年更多望遠(yuǎn)鏡的加入,將能達(dá)到所需時間分辨率,拍到‘黑洞電影’。”
《 人民日報 》( 2023年05月04日 08 版)
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