全球第二張黑洞照片公布！高糊圖片能解決類星體之謎嗎？

在經(jīng)歷了漫長的黑洞探索后，2017 年 4 月，全球 30 多個研究所的天文學(xué)家總算完成了對黑洞的拍攝工作。

2019 年 4 月，首張黑洞照片公布，成為黑洞研究的里程碑事件。

時隔一年，天文學(xué)家們又公布了全球第二張黑洞照片—;—;2017 年4月拍攝到的55億光年外的類星體3C 279 中央核心及其射流起源的圖片。

當(dāng)?shù)貢r間 2020 年 4 月 7 日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《天體學(xué)與天體物理學(xué)》（Astronomy & Astrophysics）期刊，題為 Event Horizon Telescope imaging of the archetypal blazar 3C 279 at an extreme 20 microarcsecond resolution（事件視界望遠(yuǎn)鏡對類星體 3C279 的 20 微秒極限分辨率成像），論文合著者多達(dá)數(shù)百位。

神秘的天體

想必所有人都聽說過「黑洞」。

1915 年，愛因斯坦完成了其廣義相對論的基礎(chǔ)，并于次年正式發(fā)表。廣義相對論預(yù)言，在宇宙空間中存在一種天體，是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮產(chǎn)生的。這種天體的密度極大、體積極小，同時引力也極其強(qiáng)大，強(qiáng)到連光線都被吸引，無法逃逸。

1916 年，德國物理學(xué)家 Karl Schwarzschild 為這一預(yù)言做了精確解—;—;Karl Schwarzschild 通過計算得到了愛因斯坦場方程的一個真空解，這個解表明，如果一個靜態(tài)球?qū)ΨQ星體實際半徑小于一個定值（這一定值便是著名的史瓦西半徑），其周圍會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象：一旦進(jìn)入一個被稱為“視界”的界面，即使光也無法逃脫。

直至 1969 年，美國天體物理學(xué)家 John Archibald Wheeler 首次提出了“黑洞”的概念，從此傳播世界。

1970 年，美國“自由”號人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了與其他射線源不同的天鵝座 X-1，天鵝座 X-1 上有一個比太陽重 30 多倍的巨大藍(lán)色星球，該星球被一個有 10 個太陽那么重的看不見的物體牽引著。天文學(xué)家當(dāng)時一致認(rèn)為這個物體正是黑洞，這也是人類發(fā)現(xiàn)的史上第一個黑洞。

總的來說，科學(xué)家對黑洞的探索之路相當(dāng)艱難，很大一部分原因是黑洞無法直接被觀測到，因此科學(xué)家只能通過間接方式得知其存在、質(zhì)量，及黑洞對其他事物的影響。

雷鋒網(wǎng)了解到，物體被黑洞吸入之前，黑洞引力帶來的加速度會導(dǎo)致摩擦，進(jìn)而釋放出 x 射線和 γ 射線的“邊緣訊息”，而這就是科學(xué)家獲取黑洞存在的證據(jù)。當(dāng)然，借由間接觀測恒星或星際云氣團(tuán)繞行的軌跡，科學(xué)家也能尋到一些蛛絲馬跡。

給看不見的黑洞拍張照

為進(jìn)一步了解黑洞、宇宙，科學(xué)家們用到了一個工具—;—;射電望遠(yuǎn)鏡。

射電望遠(yuǎn)鏡是指觀測、研究來自天體的射電波的基本設(shè)備，包括收集射電波的定向天線，放大射電信號的高靈敏度接收機(jī)，信息記錄﹑處理和顯示系統(tǒng)等，可測量天體射電的強(qiáng)度、頻譜及偏振等量。

針對黑洞的研究，科學(xué)家們使用的是一種名為「事件視界望遠(yuǎn)鏡」（Event Horizon Telescope, EHT）的由多個射電望遠(yuǎn)鏡形成的網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)名稱不難看出，它嘗試觀測的實際上是黑洞的“事件視界”。

正如上文所述，我們可以把事件視界理解成是一種時空的界線。黑洞周圍的事件視界中，在非常巨大的引力影響下，黑洞附近的逃逸速度大于光速，使得任何光線皆不可能從事件視界內(nèi)部逃脫，而在該事件視界外便不會受到黑洞的影響。

2006 年，全球 30 多個研究所的科學(xué)家們聯(lián)合起來，發(fā)起了一項雄心勃勃的計劃：給黑洞拍張照。

具體來講，這一計劃基于甚長基線干涉技術(shù)（VLBI），借助分布在世界多地的 8 個射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測同一目標(biāo)源并記錄數(shù)據(jù)，從而形成一個口徑等效于地球直徑的虛擬望遠(yuǎn)鏡，將望遠(yuǎn)鏡的角分辨率提升至足以觀測事件視界尺度結(jié)構(gòu)的程度。

值得一提的是，上述 8 個射電望遠(yuǎn)鏡不全是單一的望遠(yuǎn)鏡，其中包括望遠(yuǎn)鏡陣列，比如位于智利的阿塔卡馬大型毫米波陣由 70 多個小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。

2017 年 4 月，人類完成黑洞照片的拍攝工作之后，便進(jìn)入了漫長的數(shù)據(jù)處理過程。

2019 年 9 月，事件視界望遠(yuǎn)鏡的合作組織獲得 2020 年“科學(xué)界的奧斯卡”科學(xué)突破獎基礎(chǔ)物理獎。

終于，美國東部時間 2019 年 4 月 10 日 9 時（北京時間 10 日 21 時），美國華盛頓、中國上海和臺北、智利圣地亞哥、比利時布魯塞爾、丹麥靈比和日本東京同時召開了新聞發(fā)布會，公開了事件視界望遠(yuǎn)鏡取得的第一項重大成果—;—;人類有史以來獲得的第一張黑洞照片。

全球第二張黑洞照片

雖然第二張黑洞照片和第一張一樣高糊，但它對類星體的研究來說意義重大。

類星體，其實是類似恒星天體的簡稱，是一類離地球最遠(yuǎn)、能量最高的活動星系核，比星系小很多，但其釋放的能量卻是星系的千倍以上。

類星體與脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子一度被稱為 20 世紀(jì) 60 年代天文學(xué)的“四大發(fā)現(xiàn)”。長期以來也讓天文學(xué)家疑惑不解。

據(jù)了解，3C 279 是一顆光學(xué)劇變類星體，此前科學(xué)家們首次探測到類星體的超光速運動現(xiàn)象就是在該星體上探測到的。

其實，天文學(xué)家們選擇 3C279 作為觀測對象，可能的兩方面原因是：

不同于其他類星體，3C279 中心的超大質(zhì)量黑洞周圍盤旋著一個發(fā)出強(qiáng)烈輻射的氣體吸積盤（雷鋒網(wǎng)注：指環(huán)繞在恒星周圍的氣體和塵埃混合物），這樣更容易被觀測到；

早在多年前，研究人員就發(fā)現(xiàn)這個黑洞有一個比較弱的伽馬射線發(fā)射源。

2017 年 4 月，研究人員曾 4 次使用超高角分辨率技術(shù)—;—;1.3mm（230GHz）的甚長基線干涉技術(shù)—;—;來分辨 3C279 的中心噴射流，以便研究其接近噴射流發(fā)射源（高度可變的伽馬射線正是源于此）的精細(xì)尺度形態(tài)。

值得一提的是，這張圖片中的黑洞和虛擬、假想中的完全不同—;—;天文學(xué)家一致認(rèn)為黑洞輻射噴射流呈直線狀，但這張照片首次揭示噴射流呈彎曲狀。雖然目前尚不明確其原理，但這一發(fā)現(xiàn)無疑能幫助科學(xué)家更好地理解黑洞周圍的物理性質(zhì)。

此外，研究人員也注意到，吸積盤上的旋轉(zhuǎn)材料在掉落黑洞時引起了細(xì)微變化，而這是之前從未觀察到的。

引用來源：

[1] https://www.aanda.org/articles/aa/pdf/forth/aa37493-20.pdf

[2] https://baike.baidu.com/item/%E9%BB%91%E6%B4%9E/10952?fr=aladdin#4_1

[3] https://baike.baidu.com/item/%E5%88%86%E8%BE%A8%E7%8E%87/213523?fr=aladdin#5_10