X射线首次被用来绘制黑洞周围的图像

研究人员首次使用X射线绘制了黑洞周围的地图。在供料过程中,黑洞吞噬的等离子体被加热到令人难以置信的温度,并开始在电磁光谱的X射线部分发光。这些X射线在剧烈扭曲的区域反弹,使得研究人员能够利用这个特殊的信号来重建超大质量黑洞周围时空的几何结构。

研究黑洞附近的区域不是件容易的事。从它们的本质上来说,黑洞会吞噬光,所以唯一的办法就是间接地观察它对其他物体的影响而不是它本身。去年4月,我们拍摄了有史以来第一张照片(或者至少是它的活动视界,在它被黑洞吞噬之前最后一束光可以被看到的悬崖),但是它需要一个地球大小的天文台——视界望远镜来完成。现在,研究者们第一次用X射线来绘制黑洞周围的地图。

图解:此信息图详细说明了视界望远镜(EHT)和全球mm-VLBI阵列(GMVA)的参与望远镜的位置。他们的目标是第一次成像银河系中心超大质量黑洞事件视界的阴影,并研究银河系中心附近积聚和流出的性质。 图源:Wikipedia

然而,为了做这件事,他们不得不等待一些物质被黑洞吃掉,以便一窥究竟发生了什么。

图解:事件地平线望远镜[20] [21]捕获的黑洞(M87 *)阴影的第一张图像 图源:Wikipedia

在喂食过程中,黑洞吞噬的等离子体被加热到难以置信的温度,并开始在电磁光谱的X射线部分发射光。这些X射线在剧烈扭曲的区域周围反弹,使研究人员能够利用这种特殊的信号来重建超大质量黑洞周围的时空几何结构。

《自然天文学》上发表的一篇新论文中,科学家们展示了这是被如何应用于位于星系IRAS 13224–3809中心的超大质量黑洞的。这是天空中最多变的X射线源之一,因为它的亮度在短短几个小时内变化了50倍,这使其成为测试这种回声映射方法的理想选择。

“每个人都很熟悉在教室讲话时,他们声音的回声和在大教堂相比听起来有何不同——这仅仅是因为房间的几何结构和材料(“声学”)的缘故,这使得声音的表现方式和回弹不同”,来自英国剑桥大学的主要作者威廉·阿尔斯顿在一份声明中说。

“以类似的方式,我们可以观察X射线辐射的回波如何在黑洞附近传播,以便在一团物质消失在奇点之前,描绘出一个区域的几何结构和这团物质的状态。这有点像宇宙回声定位。”

科学家们一直期望能观察到他们用来绘制区域的反射光回声,不过他们发现了另外一些令人惊奇的东西。

图解:在日全食,太阳的日冕和日珥是肉眼可见的。 图源:Wikipedia

盘旋上升进入黑洞的物质形成一个吸积盘,在它上面,有一个高能量电子区域,温度高达数十亿度:黑洞电晕。根据欧洲航天局的XMM牛顿卫星收集的数据,研究人员发现电晕在短短几天内改变了大小。

图解:模拟式的XMM-牛顿在引用和空间,图卢兹 图源:Wikipedia

这项观测为黑洞周围发生的事情提供了一个独特的图像,但它也允许精确测量黑洞的属性。电晕的尺寸取决于黑洞的质量和它的旋转,以及围绕它的东西。由于质量和旋转没有那么快的变化,团队设法把它们固定下来。IRAS13224-3809的超大质量黑洞质量约为太阳质量的190万倍,不到位于银河系中心的黑洞——人马座a*质量的一半。

图解:射手座A *的X射线图像(中心)和最近一次爆炸的两个光回波(圈出) 图源:Wikipedia

即将到来的任务,如雅典娜号,将需要更多这样的观察。考虑到黑洞起着举足轻重的作用,这不仅帮助我们进一步了解黑洞,而且也有助于检验引力理论和星系如何演化。

作者: Alfredo Carpineti

FY: 张玉兔

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