一個(gè)熟悉的陰影隱約出現(xiàn)在附近星系M87中心的新圖像中。它證實(shí)了該星系擁有一個(gè)引力天坑，其強(qiáng)度之大以至于光線無法逃脫，這是由一個(gè)質(zhì)量為太陽65億倍的黑洞產(chǎn)生的。但是，與之前事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)拍攝的圖像相比，新圖像揭示了陰影周圍明亮環(huán)的微妙變化，這可能為黑洞周圍的氣體是如何攪動(dòng)的提供線索。
2018年觀測(cè)到的M87星系附近黑洞的新圖像(右)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)熟悉的陰影。圖片來源：EHT COLLABORATION
研究團(tuán)隊(duì)成員、阿姆斯特丹大學(xué)Sera Markoff指出，新的細(xì)節(jié)激發(fā)了天文學(xué)家對(duì)EHT擴(kuò)展的渴望，這將提供更清晰的遙遠(yuǎn)黑洞圖像。
近日發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》上的這張新照片，來自于觀測(cè)活動(dòng)一年后收集的數(shù)據(jù)，該觀測(cè)活動(dòng)于2019年公布了第一張黑洞照片。圖像的暗中心與原始圖像的大小相同，這證實(shí)了圖像描繪了物理現(xiàn)實(shí)，而不是人工制品。未參與該研究的赫特福德大學(xué)天體物理學(xué)家Martin Hardcastle說，黑洞的質(zhì)量在一年內(nèi)不會(huì)有明顯的增長，因此這個(gè)比較也支持了黑洞的大小僅由其質(zhì)量決定的觀點(diǎn)。
然而，在新圖像中，圍繞黑洞的環(huán)的最亮部分逆時(shí)針移動(dòng)了約30°。這可能是由于圍繞黑洞赤道旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤隨機(jī)攪動(dòng)。這也可能與從黑洞極點(diǎn)發(fā)射的一個(gè)噴流的波動(dòng)有關(guān)——這表明噴流沒有與黑洞的自轉(zhuǎn)軸對(duì)齊，而是像一個(gè)擺動(dòng)的陀螺一樣繞著黑洞前進(jìn)。Markoff指出，唯一弄明白的方法就是不停地拍照。
盡管質(zhì)量驚人，但像M87這樣的黑洞其實(shí)是相對(duì)較小的，一個(gè)黑洞可以容納整個(gè)太陽系。為了觀測(cè)，EHT依賴于能夠穿透黑洞周圍氣體和塵埃的無線電發(fā)射，通過將望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，產(chǎn)生足夠清晰的圖像，望遠(yuǎn)鏡之間的距離盡可能大，構(gòu)成了一個(gè)地球大小的天線。目前為止，EHT團(tuán)隊(duì)（大約300名研究人員，分布在世界各地）每年都要進(jìn)行幾周的觀測(cè)，從南極到格陵蘭島，從夏威夷到法國，共使用多達(dá)12個(gè)天文臺(tái)。
研究團(tuán)隊(duì)希望增加更多的望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)一步提高圖像的清晰度，使其能夠看到更遙遠(yuǎn)星系中的黑洞。上個(gè)月，研究團(tuán)隊(duì)向美國國家科學(xué)基金會(huì)提交了下一代EHT (ngEHT)提案。該提案要求在懷俄明州、加那利群島、智利和墨西哥四個(gè)地方建造9米的無線電天線，并在麻省理工學(xué)院的干草堆天文臺(tái)增加一個(gè)37米的天線，這將完美填補(bǔ)現(xiàn)有空白。
ngEHT項(xiàng)目還將部署新的硬件和軟件來加快數(shù)據(jù)處理速度。EHT創(chuàng)始主任、哈佛-史密松森天體物理中心Shep Doeleman說，這個(gè)團(tuán)隊(duì)可以在幾天而不是幾年的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果。在空間和時(shí)間上提高分辨率將有助于研究人員解開天體物理學(xué)中最持久的謎團(tuán)之一：黑洞的自旋、磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)盤是如何共同將強(qiáng)大的粒子噴流發(fā)射到遙遠(yuǎn)太空中的。
理論學(xué)家還預(yù)測(cè)，在EHT圖像中模糊的明亮環(huán)內(nèi)，是由被困在盡可能接近黑洞邊界或事件視界的軌道上的光子發(fā)出的更清晰的光圈。要放大這些所謂的光子環(huán)，需要一個(gè)遠(yuǎn)在地球之外的虛擬無線電天線。
哈佛-史密松森天體物理中心Michael Johnson表示:“我們正在接近地面所能做到的極限。”他正在領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)名為黑洞探索者的任務(wù)提案，他的目標(biāo)是在2025年提交給美國宇航局。
預(yù)計(jì)在10年內(nèi)發(fā)射到地球同步軌道的航天器，帶有的4米天線將把ngEHT的基線擴(kuò)大到大約35000公里，足以看到光子環(huán)。“只用一顆衛(wèi)星，我們就能找出這些軌道，”Markoff夫說。
理論預(yù)測(cè)有多個(gè)嵌套的光子環(huán)，而最內(nèi)層光子環(huán)的大小和形狀將有助于確定黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)，甚至是旋轉(zhuǎn)盤的傾角。通過對(duì)具有不同生命歷史的多個(gè)黑洞進(jìn)行成像，研究人員可以進(jìn)一步研究它們的自旋是如何受到合并或周圍物質(zhì)突然聚集的影響。
Doeleman說，在最極端的條件下，ngEHT及其軌道外支架也應(yīng)該能夠測(cè)試愛因斯坦的引力理論，即廣義相對(duì)論。這將使我們?cè)谖磥碓S多年里盡可能接近黑洞事件視界的邊緣。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932
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