天文学家发现分析活跃黑洞新方法 (天文学家是怎么观测到黑洞的)

2019 年 4 月 10 日,全球多地的天文学家联合宣布了一项令人瞩目的成果:他们使用事件视界望远镜 (Event Horizon Telescope,简称 EHT) 首次发布了黑洞及其附近的第一张影像。这项成果发表于《科学》杂志,被认为是天文学史上的一次重大突破。

天文学家发现分析活跃黑洞新方法,天文学家公布首张银河系黑洞照片

在巨大椭圆星系M87核心的超大质量黑洞,质量大约是太阳的70亿倍

M87 星系中心的超大质量黑洞是已知宇宙中最大的黑洞之一,其质量约为 6.5 亿个太阳质量,距离地球约 5500 万光年。此次发布的影像揭示了黑洞周围的吸积盘和喷流结构,以及黑洞本身的特征。

事件视界望远镜是一个由全球 8 个射电望远镜组成的观测平台,用于捕捉黑洞事件视界的图像。在拍摄 M87 星系黑洞影像的过程中,事件视界望远镜协同工作,将覆盖范围覆盖范围扩展到了全球范围,从而取得了更加清晰的观测结果。

此次发布的黑洞影像非常清晰,分辨率达到了前所未有的水平。通过对观测结果的分析,科学家们得以更好地理解黑洞的性质和行为。同时,此次观测结果也为天文学家们提供了研究黑洞附近的物质和能量流动的珍贵数据,对于整个宇宙的研究都有着重要的意义。

黑洞(英语:black hole)是时空展现出极端强大的引力,以致于所有粒子、甚至光这样的电磁辐射都不能逃逸的区域。广义相对论预测,足够紧密的质量可以扭曲时空,形成黑洞;不可能从该区域逃离的边界称为事件视界(英语:event horizon)。虽然,事件视界对穿越它的物体的命运和情况有巨大影响,但对该地区的观测似乎未能探测到任何特征。在许多方面,黑洞就像一个理想的黑体,它不反光。此外,弯曲时空中的量子场论预测,事件视界发出的霍金辐射,如同黑体的光谱一样,可以用来测量与质量反比的温度。在恒星质量的黑洞,这种温度往往在数十亿分之一K,因此基本上无法观测。

最早在18世纪,约翰·米歇尔和皮耶-西蒙·拉普拉斯就考虑过引力场强大到光线都无法逃逸的物体。1916年,卡尔·史瓦西发现了第一个能用来表征黑洞的广义相对论精确解(也就是史瓦西黑洞),然而大卫·芬克尔斯坦在1958年才首次发表史瓦西解做为一个无法逃脱空间区域的解释。长期以来,黑洞一直被认为仅仅来自数学上的好奇。在20世纪60年代,理论工作显示这是广义相对论的一般预测。约瑟琳·贝尔·伯奈尔在1967年发现中子星,激发了人们引力坍缩形成的致密天体可能是天体物理中的实体的兴趣。

预期恒星质量的黑洞会在恒星的生命周期结束的坍塌时形成。黑洞形成后,它可以经由吸收周边的物质来继续生长。透过吸收其它恒星并与其它黑洞合并,可能形成数百万太阳质量(M☉)的超大质量黑洞。人们一致认为,大多数星系的中心都存在着超大质量黑洞。

黑洞的存在可以透过它与其它物质和电磁辐射(如可见光)的相互作用推断出来。落在黑洞上的物质会因为摩擦加热而在外围形成吸积盘,成为宇宙中最亮的一些天体。如果有其它恒星围绕着黑洞运行,它们的轨道可以用来确定黑洞的质量和位置。这种观测可以排除其它可能的天体,例如中子星。经由这种方法,天文学家在许多联星系统确认了黑洞候选者,并确定银河系核心被称为人马座A*的电波源包含一个超大质量黑洞,其质量大约是430万太阳质量。

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被银河中心黑洞扯碎的气体云(2006年、2010年和2013年的观测结果分别以蓝色、绿色和红色表示)

在2016年2月11日,LIGO科学合作组和Virgo合作组宣布第一次直接观测到引力波,这也代表第一次观测到黑洞合并。迄2018年12月,已经观测到11件引力波事件,其中10件是源自黑洞合并,只有1件是中子星碰撞。在2019年4月10日,首次发布了黑洞及其附近的第一张影像:使用事件视界望远镜在2017年拍摄到M87星系中心的超大质量黑洞。

此次发布的黑洞影像是全球天文学家们共同努力的结果,也标志着黑洞观测和研究的新时代已经开始。在未来,科学家们将继续通过事件视界望远镜和其他观测平台,探索宇宙中黑洞的奥秘,进一步揭示宇宙的奥秘。