正文

人类获得首张黑洞照片

  图6.1 喷流形成简图

  资料来源:https://nemaloknig.com/read-265396/page=10

  图6.2 黑洞吸积与喷流图像

  资料来源:维基百科

  梅西耶87(Messier87,简称M87)是位于室女座的一个非常典型的椭圆星系,距离我们大约5500万光年,100年前对这个星系进行光学拍照时,就发现了一个非常著名的线状抛出物(如图7.1),现在我们知道这个线状抛出物就是喷流在光学波段的辐射。如果从射电波段观测图像看,喷流将非常突出(图7.2展现了不同分辨率情况下的射电图像)。2016年全世界许多天文学家还在台北举行了一个国际会议纪念该宇宙喷流发现100周年,并研讨该天体的最新研究进展。由于M87是一个巨椭圆星系,因此其中心超大质量黑洞是近邻星系中最大的黑洞之一。通过星系核心的恒星速度分布发现其黑洞质量约为62亿个太阳质量(Gebhardtetal.2011),而通过电离气体运动学信息得到的黑洞质量大约小了2倍。这次通过视界望远镜,可直接测量黑洞暗影的大小,并能够判定上述两种测量黑洞质量方法哪一种更准确。

  由于M87中存在相对论性喷流,因此有些波段观测到的辐射并不太清楚起源于哪里,比如射电一般认为是来自喷流,但X射线和光学波段辐射等吸积盘和喷流辐射都可以很强。由于高分辨率望远镜的出现,Prieto等人利用哈勃等不同波段高分辨率望远镜观测了星系核心区域100光年以内(~0.4角秒,相当于几千个史瓦西半径)的射电、光学甚至X射线波段的辐射,并利用喷流模型进行了拟合,发现M87各波段辐射均来自喷流(如Prietoetal.2016)。然而,华中科技大学吴庆文团队与上海天文台袁峰团队在2016年文章中均指出M87在亚毫米波段有一个明显的鼓包,这个‘鼓包’应该是来自于低辐射效率吸积盘中热等离子体辐射过程,而不是来自于喷流。这个鼓包及辐射过程在我们银河系中心黑洞以及部分其他近邻低光度活动星系中得到了较为充分的研究(Yuanetal.2003ApJ,Wuetal.2018ApJ等)。这个亚毫米鼓包正好在这次“视界”望远镜观测的波段,因此其辐射起源或者说辐射位置(吸积盘是围绕黑洞旋转,喷流是垂直于吸积盘方向),将对理解黑洞阴影有重要影响,不同的辐射起源,将有不同的黑洞影像,或者说这次视界望远镜的观测结果将可以直接检验不同的理论模型。

  图7.1 M87星系光学图像,可以看到中间抛出物

  资料来源:维基百科

  图7.2 M87不同尺度射电波段的喷流图像(0.2-20万光年)

  资料来源:维基百科

  图7.3 Prieto等人用喷流拟合M87核心区辐射能谱结果,并认为从射电到X射线波段所有辐射都来自喷流

  资料来源:Prietoetal.2016,MNRAS,457,3801

  图7.4 M87核心辐射区辐射及拟合,点线为低辐射效率吸积盘辐射,虚线为喷流辐射

  资料来源:图选自Feng,Wu&Lu2016,ApJ.注意此图与Perito等人观测数据点是相同的,但画图的纵坐标不同

  需要指出分布在全球的虚拟“视界”望远镜对两个黑洞候选体-银河系中心黑洞和M87中心黑洞观测窗口非常短暂,每年只有大约十天左右,其中还要天气条件适宜。2017年观测窗口期为4月5日-14日,其中分别对银河系中心黑洞和M87黑洞做了2次和5次观测,还有部分天气因为雷电和大风等原因无法观测。参与观测的有8架亚毫米波望远镜(分辨率达到了20微角秒)。在观测成功以后,由于甚长基线干涉阵数据处理相对较为复杂,而且涉及站点很多,每晚的数据量达2PB(1PB=1000TB=1000000GB),这和欧洲大型对撞机一年产生的数据差不多。为了保证准确性,观测数据用三种完全独立的流程以及多个独立小组进行处理,以保证结果的准确性。真是拍照不易,洗照片更难。

  图8.1就是利用三种完全独立的数据处理方法得到的2017年4月11日观测的图像(分辨率约为20个微角秒),其中不同温度等效于不同的辐射强度。我们可以发现每长照片均呈圆环状且中心存在阴影区域(亮环大小约为40个微角秒),这个阴影区域就是前面所说“黑洞阴影”,该亮环大小与理论计算结果十分吻合(对60亿个太阳质量黑洞对应圆环大小约为38微角秒)。此外,“亮环”明显呈现不对称性,其中左下角比右上角要亮(环最亮和最暗处辐射流量比值大约为10)。这种不对称的圆环状结构正是爱因斯坦广义相对论预言的黑洞阴影典型特征,其中绕黑洞旋转的等离子体朝向我们一侧则会变亮而远离我们的一侧会变暗。这是对爱因斯坦的广义相对论的再一次证实。从观测结果也可以得到下面几点结论:

  (1)“视界”望远镜看到的中间暗影就是对应的黑洞视界范围,也就是说人类第一次看到了黑洞图像或者说证实了黑洞的真实存在;

  (2)圆环状结构说明其亚毫米波辐射主要来自于黑洞周围的吸积盘,而非喷流;

  (3)通过黑洞阴影和圆环大小计算出黑洞质量约为65亿个太阳质量,支持通过恒星动力学计算出的黑洞质量。

  百年谜团,终于揭晓,人类对黑洞研究将迈入一个新的阶段。可以说“人类首张黑洞照片”是在2016年发现引力波之后人们寻找到了爱因斯坦广义相对论最后一块缺失的拼图。

  图8.1利用三种独立方法处理2017年4月11日观测数据得到的图像

  “慧眼”已在天上遨游,“慧”二代已在路上

  2017年6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”发生升空,在浩瀚宇宙架起了一座属于中国人自己的空间望远镜(首席科学家为李惕培院士和张双南研究员),这台望远镜能看黑洞、中子星、伽马暴等多种高能天体,并在引力波电磁对应体GW170817的联合观测中作出了重要贡献。目前该卫星还在天上辛勤的工作,监测着很多黑洞双星的活动,我们期望它做出更多新发现。

  “慧眼”卫星是发现极端宇宙计划的第一步,新的更强大的计划已经在路上。2018年3月,中科院启动了增强型X射线时变与偏振天文台(eXTP,首席科学家为张双南研究员)相关研究,这架旗舰型X射线天文台将在2025年左右发射,将是“慧眼”卫星的继任者,该卫星不仅整体性能上提高了一个量级以上(部分性能提高两个量级以上),而且还将具有很多新的功能,比如偏振性质测量和聚焦望远镜等,因此可以预期在2025-2035年间我们将具有中国主导的、国际领先水平的X射线空间天文台。这两架X射线天文望远镜核心科学目标都是黑洞、中子星等极端天体,一流的设备必将催生一系列一流的、超乎想象的科学发现。

  图9.1“慧眼”卫星(左,2017年发射)和eXTP卫星(右,计划2025年左右发射)概念图

  资料来源:cnsa.gov.cn

  爱因斯坦探针—发现宇宙中隐藏的黑洞

  大部分暂现源和剧烈爆发天体的辐射普遍能在X射线波段被探测到,目前在空间运行的X射线监测望远镜有“雨燕”卫星(Swift,美国)、国际空间站上搭载的日本MAXI全天X射线监视器,但这些设备基本集中在中高能X射线波段。中国将要发射的爱因斯坦探针,主要集中在光子能量小于2keV的软X射线波段,而且该设备采用了仿生龙虾眼的聚焦光学系统设计,可以同时具有高灵敏度和大视场。因为黑洞是爱因斯坦广义相对论的重要预言,因此该空间X射线望远镜以爱因斯坦命名,不仅概括了该望远镜的核心科学目标,也向这位历史上最伟大的科学家致敬(该卫星首席科学家为国家天文台袁为民研究员)。

  宇宙中绝大多数黑洞都处在休眠状态,如果哪颗恒星经过这些沉睡中的怪物,则可能会被黑洞强大的引力潮汐瓦解,被瓦解的物质一部分将会被黑洞俘获并吞噬,从而唤醒这个沉睡的巨人,从而被人们观测到(可参考中国科学技术大学王挺贵教授小组工作)。爱因斯坦探针这种大视场巡天望远镜将能够抓住这些吞噬恒星的黑洞。

  图9.2 黑洞潮汐瓦解恒星艺术图

  资料来源:维基百科

  目前探测到最远的类星体是ULAS J1342+0928,红移为7.54,其热光度达到~1047尔格/秒,黑洞质量约为109太阳质量,即大约在宇宙形成后7亿年(宇宙年龄的5%)时间内,就已形成如此巨大的黑洞(Banadosetal.2018)。目前在红移6左右的类星体已经达到数十颗(可参考北京大学吴学兵教授团队一些成果)。如果靠吞噬周围物质生长,为了形成这么庞大的黑洞,就需要在红移为10到20这个区间里产生~103到~105太阳质量的中等质量黑洞(Volonteri2010),我们称之为种子黑洞。这些种子黑洞通过不断的合并和吸积物质增长形成我们今天看到的超大质量黑洞。从电磁信号搜寻宇宙中的双黑洞是当下最前沿科学问题之一,目前已经有了很多疑似证据,但还没有确切的证据。星系中的大黑洞(~104-1010个太阳质量)的合并所产生的引力波主要在nHz到mHz范围内。对于107-1010个太阳质量的超大质量双黑洞,引力波辐射主要在低频nHz-mHz波段,这可以利用脉冲星计时阵的方法来进行探测(如500米口径的射电望远镜FAST等)。对于103-106个太阳质量的大质量双黑洞来说,它的引力波辐射主要在中频mHz-Hz波段,这是接下来10-20年国际空间引力波计划最重要科学目标之一。比如我国科学家提出的天琴计划、太极计划以及欧洲提出的LISA计划。

  天琴空间引力波探测器计划在2030-2035年间发射,在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕地球运转的卫星,组成臂长17万公里的等边三角形,组成空间引力波探测器(如图10.1)。天琴引力波探测器将可以探测到到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波,这将有机会我们理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大天文与物理学问题。此外,一个大黑洞俘获星系中心的一个致密天体(如恒星级黑洞、中子星、白矮星等)产生的引力波也在天琴等空间引力波探测范围内(所谓的‘极端质量比旋进系统’),如果大黑洞吞噬中子星或白矮星,如果这些小的致密天体被潮汐瓦解,我们将不仅能看到引力波信号,同时也可能看到电磁信号。因此,天琴等空间引力波计划必将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器,特别是将可能会搜寻到大量的中等质量黑洞,将会对绿化黑洞沙漠起到关键作用。同时还会在检验黑洞“无毛”定理和修改的引力理论、利用黑洞研究宇宙学等方面发挥极其重要的作用。

  图10.1 天琴引力波探测器,是围绕地球的三颗相距17万公里的三颗卫星

  图10.2 引力波频谱、主要波源与对应的探测方法

来源:知社学术圈 吴庆文
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