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银河系中心黑洞的肖像

作者:百研工坊

作者:安德鲁·格兰特

编译:纯珍

银河系中心黑洞的肖像

图片来源: EHT 合作

隐藏在银河气体雾中的人马座 A* 被证明是事件视界望远镜团队的一个棘手的成像目标。

一个明亮的等离子体环围绕银河系中心的超大质量黑洞人马座 A* 运行。

在分享一个黑洞的历史图像三年后,事件视界望远镜 (EHT) 合作推出了第二个主题的肖像:人马座 A*,它是位于银河系中心的 400 万个太阳质量的黑洞。在光子轨道半径处有一圈明亮的等离子体环。位于图像阴影中心所描绘区域的任何向内移动的光子最终都会穿过不归路,即事件视界。研究结果在世界各地的几次新闻发布会上公布,并发表在《天体物理学杂志快报》的一系列论文中。

如果你认为模糊的环形图形看起来很熟悉,那是一件好事。尽管人马座 A* 比 EHT 在2019 年拍摄的银行系 Messier 87 (M87) 中央黑洞近三个数量级,但人马座 A* 的质量也小了三个数量级,因此两个黑洞的角度大小非常相似。根据广义相对论,阴影的大小仅由事件视界的半径决定,而事件视界的半径又与黑洞的质量成正比。亚利桑那大学天体物理学家和 EHT 创始成员 Feryal Özel 在华盛顿特区举行的新闻发布会上说, “不管黑洞的质量或周围是什么,时空以完全相同的方式围绕黑洞扭曲”。

这两个黑洞的图像是2017 年 4 月从分散在世界各地的八台毫米波望远镜收集的数据分析得到的结果。通过使用安装在每个观测点的原子钟对测量结果进行时间戳记,研究人员能够使用一种称为超长基线干涉测量法的技术组合数据,以实现与地球大小的望远镜相当的分辨率。在校准数据和改进成像算法后,EHT 团队能够在 2018 年 6 月之前将 2017 年对 M87* 的观测结果转化为类似于最终产品的四张图像。获得射手座 A* 的肖像带来了额外的挑战——并且需要一点运气。

银河系中心黑洞的肖像

图片来自:Keith Vanderlinde

上图是位于南极洲阿蒙森-斯科特南极站的 10 米南极望远镜是观测人马座 A* 的八台望远镜之一。

亚利桑那大学的天体物理学家、EHT 合作的创始成员 Dimitrios Psaltis 说,在许多方面,M87* 都是第一个完美的选择主题。虽然M87 星系位于 5500 万光年之外,但它的方向几乎垂直于我们的银河平面,这为黑洞目标提供了相对无气体和无尘埃的视线。相比之下,捕捉人马座 A* 的阴影需要从我们在银河系圆盘内的有利位置向内看,直接进入大约 27000 光年外的拥挤银河中心。沿视线方向的等离子体自由电子密度的波动会在微波中引入相位变化,以供EHT检测。结果是源图像模糊。

EHT 研究人员知道他们将不得不应对这种模糊现象,这是他们选择在 1.3 毫米而不是更大波长进行观测的主要原因,因为波长更大,散射更剧烈。为了进一步消除气体和尘埃的影响,该团队开发了一个模糊效应模型,并用 EHT 天文台进行了单独的观测,以量化各种模型参数。最后,Psaltis 说,模糊的影响比团队担心的要小。

第二个复杂的因素是射手座 A* 的大小。如果 M87* 被放置在我们太阳系的中心,它的事件视界将位于星际空间中旅行者 1号探测器附近的某个地方;射手座 A* 无法进入水星轨道。这意味着环绕银河系中心黑洞的等离子体可以在几分钟内完成一个轨道,而环绕 M87* 的等离子体则需要几天或几周的时间。

EHT 望远镜网络能够实现如此高分辨率的部分原因在于它可以在地球旋转时从不同角度捕捉目标,就像计算机断层扫描机从多个位置进行扫描一样。在这两种情况下,都假定对象是静态的。“算法假设你正在拍照的东西是固定的,”Psaltis 说。“如果拍照需要 10 个小时,M87* 不会有太大变化,但对于人马座 A* 来说,等离子体已经绕了 50 圈。” 他和他的同事担心黑洞的环境运动太快,以至于长时间曝光的观测永远无法达到足够的分辨率——而且没有任何模型能够抵消这种影响。幸运的是,对于 EHT 团队来说,模糊再次没有那么可怕。“事实证明这是一个比预期更温和、更合作的黑洞。”

银河系中心黑洞的肖像

图片来自:ESO/ S. Guisard

这张 2009 年在智利 Cerro Paranal 山拍摄的照片捕捉到了银河系繁忙、尘土飞扬的中心,其中包括超大质量黑洞人马座 A*。

在 2019 年 4 月发布 M87* 结果后休息后,300 多名成员的团队加入了射手座 A* 的工作。对 M87* 的成像和建模工作至关重要的面对面会议被全球合作者之间的 Zoom 会议所取代。“这就是为什么它花了三年而不是八个月的一个重要原因,”Psaltis 说。

新图像补充了科学家们近年来获得的关于银河系超大质量黑洞的知识。例如,2020 年诺贝尔奖获得者 Andrea Ghez 和 Reinhard Genzel 领导的团队追踪了在人马座 A* 附近危险轨道上运行的恒星的运动,并确定了黑洞质量的精度约为 1%。在今天图像中,测量到的阴影角度大小为 51.8 ± 2.3 μ,这与广义相对论对黑洞质量和距离处的预测是一致的。该图像还显示,从地球上看,人马座 A* 大致面向正面,而不是与银河平面对齐。

文章来源:https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220512a/full/

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