科学家从较早期的数据中看到了黑洞过去十年的演变

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开天辟地第一张黑洞照片搬上荧幕

基于以往观测制成的图片,展示了过去十年间浩瀚空间的混沌演变

在以往观测数据以及数学模型基础上建图而成的一系列影像,向我们展示了2009年到2017年间,位于M87星系中心位置的一个黑洞的演变现象。

鸣谢:地平线事件望远镜合作机构,动画图片由自然杂志编辑而成

去年公诸于世的史上第一份黑洞影像现在已经被制作成一部小电影。这几幅简短的画面展示了该黑洞周边空间的形态,在过去若干年间其引力将其周边物质搅扰成一团永久涡旋。

有史以来第一次拍到黑洞照片--细节叹为观止

有关图像显示出,在M87星系中心位置的超级黑洞周边,萦绕着一团不均匀的光线。在制作这些图像过程中,地平线事件望远镜合作机构(简称EHT,该组织动员了全球范围内的多家天文台)挖掘出大量关于该黑洞的历史数据,并将这些数据输入到一个基于2019年4月份所发布图像而建立的数学模型之中,目的是展示黑洞周边空间在过去八年的演变。虽然有部分工作依靠猜想,但研究成果却为天文学家们提供了研究黑洞动态的丰富洞察,黑洞强大的引力吞噬着周边的物质和光线。

“因为落入黑洞的物质流呈旋涡状,所以我们能看到光环随着时间而晃动”,该项目牵头人,哈佛大学射电天文学家梅斯耶克.维尔古思如此评论说。

发表在9月23日出版的“天体物理学杂志”上的该项成果,也向世人透露了,随着技术手段的不断改进,这个工作团队近期可能能够做到的一丝线索。“不出几年,它应该真的看起来像部电影”,维尔古思讲。

晃动的金环

EHT于去年发布的黑洞图像占据了全世界新闻报纸的头版位置。它描绘了M87*,这一位于M87星系中心的、大约1700万秒差距(即大约5500万光年)以外的超级黑洞。研究人员通过将2017年4月份两个夜晚在全球范围内若干天文台获得的射电频率信号组合在一起而制成了这幅画面。他们这一壮举的难度,堪比在地球上去确定一块位于月球表面的烤面包圈的形状。

图像尽管很模糊,但它与爱因斯坦广义相对论中预言的黑洞邻近的模样是相符的。特别是,它为研究人员提供了事件视界阴影的首个直接证据,即将黑洞和其周围空间分隔开的“不返回”(‘no return’)表面。这个黑暗的圆盘紧挨着事件视界外那些过热物质发出的光环。

科学家对黑洞的第一个图像有何反应。

令人惊讶的是,光环的一侧显得更加明亮。符合预期的解释是,这是由于黑洞周围复杂动力学的综合作用所致。尤其是,落入黑洞临近空间的物质应该在黑洞的赤道外高速旋转,形成天体物理学家所说的吸积盘。扭曲的外观部分与多普勒效应有关:在圆盘朝向观察者旋转的一侧,物质的运动会增强辐射,使其看起来更明亮;相反的情况发生在另一边。

回顾数据

基于这些结果,Wielgus想回过头来查看EHT望远镜较早的数据,看是否能以2017年的图片为引导来重新解释它们。自2009年以来,EHT一直在观测M87 *,最初仅在三个地点使用望远镜。随着团队向EHT网络添加更多的观测站,观测的质量得到了提高。 2017年,这项合作涉及从夏威夷和智利到欧洲的八个观测站,首次达到了EHT能够产生实际图像的水平。

较早的数据包括在2009年、2011年、2012年和2013年收集的四批数据,其中有两批尚未发布。Wielgus说:“在一定程度上,它们被遗忘了,因为每个人都对2017年的数据感到非常兴奋。”他与其他EHT研究人员一起重新分析了数据,发现它们与2017年的观测一致,包括暗盘和亮环的存在。尽管2009-2013年的数据批次本身没有足够的分辨率来生成照片,但该团队仍能够通过将可用的有限数据与2017年数据构建的黑洞数学模型相结合,来合成图像。

黑洞的第一个图像现在是一部“电影”

并且结果包含了更多超出威尔格斯预期的信息。像亮相于2017年的黑洞照片一样,它们揭示了黑洞环的一侧比另一侧更亮,但亮点却在四处移动。这可能是因为吸积盘(一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构)的不同区域变得更亮或更暗,这可以增强甚至有时抵消多普勒效应导致的增亮现象。

动态磁盘

研究员说,并不出乎意料:尽管M87*黑洞自身不会年复一年发生变化,但是它周边的环境会发生变化。在几周的时间范围内,强磁场会搅动吸积盘并产生温度更高的斑点,然后围绕黑洞运行。在2018年,一个独立的研究小组报告称,有证据表明在大约一个小时的过程中,银河系中央的黑洞人马座a*周围环绕着一团热气。因为 M87*黑洞的质量是太阳的65亿倍,超过人马座a*的1000倍,所以围绕M87*黑洞的动力学需要花费更长的时间去展开研究。

EHT(事件视界望远镜)计划在每年3月底或4月初观察M87*和射手座A*。在那个时间段, EHT观察网络中许多站点的天气状况最有可能同时良好。由于COVID-19疫情的影响,2020年的活动不得不取消,但研究小组希望在2021年有一次机会。如果一切顺利,将有更多的观测站一起努力,包括格陵兰的一个和法国的一个。该研究小组还希望明年的活动将包括首次使用短波长辐射的全球观测。尽管穿透地球大气层去看更具挑战性,但这也将提高EHT图像的分辨率。“我们将更接近黑洞的阴影,并获得更清晰的图像,”荷兰拉德堡德大学的射电天文学家、EHT成员萨拉·伊萨翁说。

作者:Davide Castelvecchi

FY:Astronomical volunteer team

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