銀河系中心黑洞與模型並不完全匹配,多波長觀測助力理解黑洞

北京新浪網 (2022-05-16 12:46)
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  澎湃新聞記者 森寧

  五年前,當事件視界望遠鏡(EHT)為銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*的新圖像收集數據時,包括NASA三個太空X射線望遠鏡在內的眾多其它望遠鏡也向黑洞投出了一瞥,對來自黑洞的X射線、近紅外、毫米波、無線電波等多波長光進行了觀測。

  5月12日,這些不同波長光的初步觀測結果與人馬座A*黑洞新圖像一併公佈。其中,天文學家們兩次捕獲到人馬座A*黑洞的x射線耀斑。天文學家們將對這些多波長數據進一步分析,以更好地了解人馬座A*黑洞——這個距離地球約27000光年、質量相當於400萬個太陽的銀河系中心黑洞與其周圍環境相互作用的機制。

  該圖的藍色來自錢德拉望遠鏡的 X 射線數據,描繪了從黑洞附近的大質量恆星吹走的熱氣體。美國宇航局哈勃太空望遠鏡拍攝的兩張不同波長的紅外光圖像顯示了恆星(橙色)和冷氣體(紫色)。嵌入圖顯示了新的 EHT 圖像。(來源:X 射線:NASA/CXC/SAO;紅外:NASA/HST/STScI。

  「如果新公佈的黑洞圖像向我們展示了一個黑洞颶風的風暴眼,那麼這些多波長的數據能夠揭示風暴眼數百甚至數千英里以外的風和雨,「加拿大蒙特利爾麥吉爾大學的達里爾·哈格德(Daryl Haggard)說,哈林德是此次多波長觀測活動的領導者之一。

  「我們想知道,這場宇宙風暴是如何與它所在的銀河系環境相互作用、甚至破壞它所在的環境。」 哈林德說。

  2017年4月5日至11日期間,事件視界望遠鏡(EHT)國際合作小組通過全球6個地點的8台射電望遠鏡,在1.3mm的無線電波長上,使用甚長基線干涉法(Very Long-Baseline Interferometer ,簡稱「VLBI」)觀測了人馬座A*黑洞,通過對觀測數據的彙編,天文學家們形成了此次黑洞的新圖像。

  與此同時,參與多波長觀測的科學家們也用能夠探測到不同波長光的設備對同一黑洞進行了觀測。他們收集了來自NASA錢德拉X射線望遠鏡(Chandra X-ray Observatory)、核光譜望遠鏡陣列(NuSTAR)和尼爾·格雷斯·斯威夫特望遠鏡(Neil Gehrels Swift Observatory)的X射線數據;來自東亞甚長基線干涉儀(VLBI)陣列和全球3毫米甚長基線干涉儀(VLBI)陣列的無線電數據;以及來自歐洲南方天文台位於智利的甚大望遠鏡的紅外數據。

  根據5月12日發佈在《天體物理學雜誌通訊》(The Astrophysical Journal Letters)特刊上的相關論文,此次多波長觀測結果顯示,人馬座A*黑洞大部分時間處於相對平靜的狀態。天文學家們探測到兩次X射線耀斑:斯威夫特望遠鏡和錢德拉望遠鏡在2017年4月7日探測到了一次較暗的耀斑,錢德拉望遠鏡和NuSTAR望遠鏡在2017年4月11日探測到了一次較亮的耀斑。事件視界望遠鏡(EHT)並沒有同時觀測到此次較亮的耀斑,但是其ALMA(阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列望遠鏡)和SMA(亞毫米波陣列望遠鏡)在此次耀斑后,顯示出毫米波強度和變化率顯著增強。

  捕捉人馬座A*的X射線耀斑是此次多波長觀測的一個重要目標。黑洞的耀斑被認為由磁場活動驅動,類似太陽上的耀斑,但其強度可能是太陽的幾千萬倍。這些耀斑大約每天都在EHT進行觀測的區域內發生,而這個區域比人馬座A *黑洞的事件視界略大。(所謂事件視界,是一種時空的曲隔界線,在黑洞周圍的便是事件視界。根據廣義相對論,在黑洞巨大的引力影響下,一切物質包括光線都不可能從事件視界內部逃脫。)

  因此,在捕獲耀斑的基礎上,天文學家們希望通過多波長觀測實現另一個目標,即了解人馬座A*黑洞在更大的區域內正在發生的事情。雖然EHT圖像結果顯示了人馬座A*和黑洞M87*之間有著驚人的相似之處,但天文學家們認為,在更大的區域範圍內,人馬座A*要複雜得多。

  此外,此次多波長觀測也將有助於科學家們進一步認識黑洞的吸積過程。長久以來,圍繞黑洞的懸而未決的謎題之一,是它們如何以接近光速的速度收集、攝取或是排出圍繞它們運行的物質,這個過程被稱為「吸積」(accretion)。了解吸積的過程,對於認識整個宇宙中各種大小的行星、恆星和黑洞的形成和生長至關重要。

  據NASA的新聞稿,在此次多波長觀測中,錢德拉X射線望遠鏡對人馬座A *周圍熱氣體進行了探測,這對於吸積研究至關重要,因為它能顯示黑洞的引力從附近的恆星捕獲了多少物質,以及有多少物質在設法接近事件視界。這些關鍵的信息目前無法由觀測其它黑洞(包括此前的M87*黑洞)的望遠鏡得到。

  荷蘭阿姆斯特丹大學的塞拉·馬爾科夫(Sera Markoff)是多波長觀測的另一名協調員,他說:「天文學家們對基本問題幾乎沒有異議,即黑洞周圍有物質旋轉,其中一些物質永遠落在事件視界之中。」馬爾科夫說,「有了為人馬座 A*收集的所有數據,我們可以比這幅基本圖走得更遠。」

  在對多波長觀測的數據結果進行分析時,參與合作的科學家們也將數據與最先進的計算機模型進行了比較,這些模型在建立時綜合考慮了愛因斯坦的廣義相對論、磁場效應、以及黑洞周圍的物質在不同波長會產生多少輻射等因素。模型與測量數據的初步比較表明,黑洞周圍的磁場極強,而且黑洞的視線與其自旋軸之間的角度很低——小於30度。

  但日本國家天文台的羽田和弘(Kazuhiro Hada)表示:「已有的模型與數據沒有完美匹配,不過現在我們有了更具體的信息來工作。」羽田和弘說,「我們擁有的數據越多,模型就越精準,最終對黑洞吸積過程的理解也會更準確。」

  《天體物理學雜誌通訊》特刊上的相關論文也指出,此次多波長觀測收集的數據將為黑洞理論模型提供重要的約束條件,將和事件視界望遠鏡收集的數據一起,為改進人馬座A*黑洞的研究模型提供豐富的機會。