人類首圖黑洞最新研究：為破解宇宙極端現(xiàn)象謎題提供關(guān)鍵拼圖
中新網(wǎng)北京9月16日電 (記者 孫自法 鄭瑩瑩)還記得人類首次拍攝到黑洞圖片的黑洞嗎？這個(gè)距地球約5500萬光年、質(zhì)量超太陽60億倍的M87星系中心超大質(zhì)量黑洞(M87*黑洞)自“真容”發(fā)布以來，一直廣受關(guān)注。
通過對M87*黑洞進(jìn)行多年持續(xù)觀測，天文學(xué)家最新捕捉到其周圍不斷演變的偏振模式，并在其噴流底部探測到230 GHz(吉赫茲)輻射，為破解宇宙極端現(xiàn)象謎題提供了一塊關(guān)鍵拼圖。
揭示黑洞偏振輻射演化
來自中國科學(xué)院上海天文臺(tái)的消息說，由全球射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合組網(wǎng)的“地球般大小的望遠(yuǎn)鏡”――事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作組最近發(fā)布M87*黑洞新圖像，揭示該黑洞附近偏振輻射如何隨時(shí)間演化，發(fā)現(xiàn)其偏振方向的出乎意料的翻轉(zhuǎn)。
天文學(xué)家還首次在EHT數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)連接黑洞環(huán)狀結(jié)構(gòu)與噴流底部的延伸輻射的跡象。
EHT合作組2019年發(fā)布的首張黑洞照片拍攝于2017年，其偏振結(jié)果于2021年公布。如今，通過對比分別拍攝于2017年、2018年和2021年的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家在揭示黑洞磁場時(shí)變方面取得新的重要進(jìn)展，為理解黑洞周圍極端環(huán)境下的物理過程提供了新視角。
這一重要天文研究成果論文，9月16日在國際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》(Astronomy & Astrophysics)上發(fā)表。隨著EHT持續(xù)提升其觀測能力，這些新成果揭示出M87*黑洞周圍的動(dòng)態(tài)環(huán)境并深化了科學(xué)家對黑洞物理性質(zhì)的認(rèn)知。
逼近現(xiàn)有理論模型極限
“令人驚嘆的是，黑洞圖像中環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大小在4年內(nèi)保持一致，證實(shí)了愛因斯坦廣義相對論預(yù)言的黑洞陰影，但其偏振模式卻發(fā)生了顯著變化。”本項(xiàng)合作研究共同負(fù)責(zé)人、美國哈佛-史密森尼天體物理中心天文學(xué)家保羅?蒂德(Paul Tiede)指出，這表明事件視界附近磁化等離子體遠(yuǎn)非靜止不變的，而是時(shí)刻變化且極其復(fù)雜的，正在逼近現(xiàn)有的理論模型的極限。
合作研究負(fù)責(zé)人之一、EHT科學(xué)委員會(huì)成員、荷蘭奈梅亨拉德堡德大學(xué)助理教授邁克爾?詹森(Michael Janssen)補(bǔ)充說，通過新增望遠(yuǎn)鏡、改進(jìn)儀器性能以及開發(fā)新算法等，年復(fù)一年不斷擴(kuò)展和升級(jí)EHT。最新成果正是這些多方面升級(jí)共同作用產(chǎn)生的科學(xué)突破，無疑將引領(lǐng)今后多年的探索方向。
最新發(fā)布一組圖像揭示M87*黑洞周圍的動(dòng)態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出不斷變化的磁場偏振模式。EHT合作組 供圖此次研究發(fā)現(xiàn)，2017年至2021年間，M87*黑洞偏振方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)：2017年磁場呈一方向螺旋，2018年相對穩(wěn)定，而到2021年則完全反轉(zhuǎn)。這種偏振旋轉(zhuǎn)方向的明顯變化可能源于內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)與外部效應(yīng)(如法拉第屏)的共同作用。偏振的演化反映出黑洞周圍的湍動(dòng)不止的環(huán)境，而其中磁場在物質(zhì)如何落入黑洞以及如何向外釋放能量方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“偏振方向在2017年到2021年的4年間發(fā)生翻轉(zhuǎn)是完全出乎意料的。”項(xiàng)目研究合作者、韓國慶熙大學(xué)天文學(xué)家樸俊浩(Jongho Park)認(rèn)為，“這既挑戰(zhàn)了現(xiàn)有模型，也說明在事件視界附近還有許多我們尚未理解的事情”。
證明EHT巨大科學(xué)潛力
研究團(tuán)隊(duì)指出，作為2021年觀測新增的至關(guān)重要的兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡，美國亞利桑那州基特峰望遠(yuǎn)鏡(Kitt Peak)和法國“北半球擴(kuò)展毫米波陣列”(NOEMA)，顯著提升了EHT的靈敏度和成像清晰度，這使得天文學(xué)家首次成功通過EHT約束M87*以接近光速遠(yuǎn)離黑洞的相對論噴流底部的輻射方向。此外，格陵蘭望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯?克拉克?麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT)的性能升級(jí)也進(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。
中國科學(xué)院上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員表示，該臺(tái)科研人員每次前往臺(tái)站參與現(xiàn)場觀測，都能真切地感受到EHT在不斷進(jìn)步。中國天文學(xué)家也一直在多方面參與技術(shù)革新，例如，目前前沿的多頻同時(shí)接收、原始數(shù)據(jù)的相關(guān)處理、頻率相位傳遞校準(zhǔn)和成圖技術(shù)等，共同助力推進(jìn)相關(guān)科學(xué)突破。
德國馬克斯?普朗克射電天文研究所博士后研究員塞巴斯蒂亞諾?馮?費(fèi)倫伯格(Sebastiano D. von Fellenberg)稱，改進(jìn)的校準(zhǔn)技術(shù)使EHT數(shù)據(jù)質(zhì)量和陣列性能有顯著提升，實(shí)現(xiàn)首次捕捉到噴流底部的微弱輻射，這種靈敏度的躍升還增強(qiáng)了對微弱偏振信號(hào)的檢測能力。
類似M87*黑洞這樣蘊(yùn)含超大能量的噴流，通過調(diào)節(jié)恒星形成和大尺度上的能量分配，在星系演化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這種強(qiáng)大的噴流能產(chǎn)生包括伽馬射線和中微子在內(nèi)的全電磁波輻射，為研究宇宙極端現(xiàn)象的形成機(jī)制提供了一個(gè)獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)室，此次最新發(fā)現(xiàn)為破解該機(jī)制謎題提供了至關(guān)重要的一塊拼圖。
本項(xiàng)研究結(jié)果展示EHT如何發(fā)展成為一個(gè)成熟的天文臺(tái)，它不僅能拍出前所未有的黑洞照片，更讓研究者能夠一步步深化對黑洞物理的認(rèn)知。“每一次新的觀測都在拓寬我們的研究邊界――無論是等離子體和磁場的動(dòng)力學(xué)過程，還是黑洞在宇宙演化中扮演的角色，這些都充分證明EHT具有巨大的科學(xué)潛力。”EHT項(xiàng)目科學(xué)家、意大利那不勒斯大學(xué)天文學(xué)教授瑪麗亞費(fèi)利西亞?德勞倫蒂斯(Mariafelicia De Laurentis)總結(jié)說。(完)
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