事件视界望远镜捕捉到半人马座 A 中黑洞喷流的诞生

事件视界望远镜 (EHT) 合作在 2019 年通过捕获星系中心黑洞的第一张直接图像成为头条新闻。现在，EHT 又带来了另一个激动人心的突破：半人马座 A 射电星系的“暗心”图像。根据一项新的研究，这些图像使 EHT 能够精确定位星系中心超大质量黑洞的位置。论文发表在《自然天文学》杂志上。这些图像还捕捉到了从黑洞发出的强大喷流的诞生。喷流的不同寻常的特性可以帮助天文学家回答一些关于这种喷流最初是如何产生的棘手问题。 “这使我们第一次看到和研究了比光在一天中传播的距离还小的尺度的河外射电喷流，”共同作者、波恩和拉德堡德大学马克斯普朗克射电天文学研究所的天文学家迈克尔詹森说。奈梅亨。 “我们亲眼目睹了超大质量黑洞发射的巨大喷流是如何诞生的。”半人马座 A（又名 NGC 5128）是夜空中最大、最亮的天体之一，因此特别受业余天文爱好者的欢迎，尽管它只能在南半球和北纬低纬度地区看到。该星系位于半人马座，由詹姆斯·邓洛普于 1826 年发现。 1847 年，约翰赫歇尔注意到它的奇特形状——从地球上看它看起来是椭圆形的，上面叠加着一条尘埃带。 1949年，天文学家确定半人马座A是银河系外第一个已知的无线电波源。这是因为该星系拥有一个活跃的星系核，它会产生强大的喷流，发射 X 射线和无线电波长的光，其距离远大于星系本身的大小。从那时起，半人马座 A 在无线电、光学、X 射线和伽马射线方面得到了广泛的研究。正如 Ars 的 John Timmer 在 2019 年报道的那样，EHT 不是传统意义上的望远镜。相反，它是一组散布在全球各地的望远镜。 EHT 是通过干涉测量法创建的，它使用在不同位置捕获的光来构建分辨率类似于最远位置大小的望远镜的分辨率的图像。干涉测量法已用于像 ALMA（阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列）这样的设施，其中望远镜可以分布在 16 公里的沙漠中。理论上，阵列的大小没有上限，但要确定哪些光子同时起源于源，您需要每个站点的非常精确的位置和时间信息。而且你仍然需要收集足够的光子才能看到任何东西。因此，许多地点都安装了原子钟，并且随着时间的推移建立了精确的 GPS 测量结果。对于 EHT，ALMA 的大收集面积，结合选择超大质量黑洞非常明亮的波长，确保了足够的光子。最终的结果是一台望远镜可以读取纽约市洛杉矶硬币上的年份——假设硬币在无线电波长下发光。 EHT 公布了 2019 年有史以来第一张在椭圆星系中心拍摄的黑洞直接图像，该黑洞位于约 5500 万光年外的室女座星座：梅西耶 87 (M87)。仅仅在一代人之前，这张图像是不可能的，它是通过技术突破、创新的新算法以及（当然）连接几个世界上最好的无线电天文台而实现的。图像证实M87中心的物体确实是一个黑洞。难怪科学杂志将这张图片命名为年度突破。

仍然缺乏的是深入了解 M87 产生的强大双喷气机背后的过程。黑洞边缘附近的大多数物质——被黑洞强大的引力吸引——落入其中，但一些粒子可以逃逸，并以接近光速的速度被那些巨大的喷流吹出。但是天文学家对于这些喷流是如何加速到如此高的速度还没有达成共识。也许这个机制是一个吸积盘，它产生一个磁场，将一些物质汇入喷射流中。或者也许是黑洞旋转时的旋转能量是罪魁祸首。或者机制可以是两者的结合。今年早些时候，我们报道了 EHT 合作的另一项突破性成果：M87 的新图像，这一次展示了它在偏振光下的外观。首次测量这种极化的能力——黑洞边缘磁场的特征——产生了对黑洞如何吞噬物质并从它们的核心发射强大射流的新见解。观察结果表明，黑洞边缘的磁场足够强大，可以将热气体推回，并帮助它抵抗引力。所以只有穿过磁场的气体才能向内盘旋到事件视界。不包含强磁化气体这一特征的理论模型与 EHT 的观察结果不符，因此可以排除。半人马座 A 的新图像对各种相互竞争的理论施加了更多限制，进一步缩小了可能性。根据最新的 EHT 数据，无线电发射形成了从半人马座 A 向外发出的巨大波瓣。但只有喷流的外边缘发出辐射，这可能是由于喷流与银河气体碰撞，从而加热了边缘。 “现在我们能够排除无法重现这种边缘增亮的理论喷气模型，”德国维尔茨堡大学的共同作者马蒂亚斯卡德勒说。 “这是一个引人注目的特征，将帮助我们更好地了解黑洞产生的喷流。”新的半人马座 A 观测也很有趣，因为它中心的黑洞是中等大小的：是太阳质量的 5500 万倍。它位于 M87（65 亿太阳质量）和我们银河系中心黑洞质量（约 400 万太阳质量）之间的中间。半人马座 A 的黑洞发出的喷流看起来与 EHT 的 M87 图像几乎相同，只是比例较小。换句话说，半人马座 A 黑洞的行为似乎与其更大或更小的兄弟姐妹没有什么不同，这进一步证实了物理学家的观点，即这些奇异物体可以仅通过它们的质量、电荷和自旋来定义。 “这些数据来自同一观测活动，它提供了 M87 黑洞的著名图像，”拉德堡德大学的合著者海诺法尔克说。 “新的结果表明，EHT 提供了关于黑洞种类丰富的数据宝库，而且还有更多。”有一天，该合作希望使用天基望远镜捕捉半人马座 A 中心黑洞的直接图像，就像他们对 M87 所做的那样。