初探M87中心黑洞

作者│杜戀

審核│董晨暉

編輯│趙經(jīng)遠(yuǎn)

黑洞自旋藝術(shù)圖│圖源：Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江實驗室

相信大家對黑洞一詞并不陌生，它是現(xiàn)代天文學(xué)前沿最重要的天體類型之一（現(xiàn)代天文學(xué)領(lǐng)域最重大的科學(xué)問題可概括為“一黑兩暗三起源”，“一黑”指黑洞，“兩暗”指暗物質(zhì)和暗能量，“三起源”指宇宙起源、天體起源和生命起源），許多新聞報道經(jīng)常出現(xiàn)這一特殊天體。由于密度大，任何進(jìn)入黑洞視界的物體都會被它強(qiáng)大的引力吸引，連光也無法逃逸。

銀河系中心超大質(zhì)量黑洞人馬座A*│圖源：EHT

常見的黑洞有兩類：恒星級黑洞和超大質(zhì)量黑洞。恒星級黑洞產(chǎn)生于大質(zhì)量恒星的死亡，這些黑洞的質(zhì)量通常為太陽的幾倍至幾十倍。而超大質(zhì)量黑洞則要龐大得多，這些巨型黑洞的質(zhì)量大約在數(shù)十萬至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量，它們通常位于星系中心。在我們銀河系的中心就存在這樣一個超大質(zhì)量黑洞，名為人馬座A*，它的質(zhì)量大約是430萬倍太陽質(zhì)量。而在銀河系之外的橢圓星系M87的中心，同樣存在一個超大質(zhì)量黑洞，名為M87*，其質(zhì)量大約為太陽質(zhì)量的65億倍，這個星系擁有一個著名“景觀”——中心黑洞噴流， M87*強(qiáng)大的引力可以吸積周圍物質(zhì)圍繞它高速旋轉(zhuǎn)形成吸積盤，同時也可以將部分物質(zhì)向外發(fā)射，從而形成這條壯觀的噴流。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的M87星系中心黑洞噴流│圖源：NASA

北京時間2019年4月10日21時，包括上海天文臺在內(nèi)的全球多個機(jī)構(gòu)，公布了人類歷史上第一張高分辨率黑洞照片，毫無疑問證實了M87星系中心存在一個超大質(zhì)量黑洞。這張照片是由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織使用位于全球不同地區(qū)的8臺射電望遠(yuǎn)鏡（陣列）共同拍攝的，這些射電望遠(yuǎn)鏡通過甚長基線干涉測量（VLBI）技術(shù)聯(lián)合觀測，等效口徑相當(dāng)于地球的直徑。事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）在1.3毫米的觀測波長處，能探測到的最小角直徑大約是20微角秒，從地球上看，只有M87*和人馬座A*的角直徑大于這一數(shù)字，所以事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）可以拍攝到這兩個星系中心超大質(zhì)量黑洞的照片。下面這張照片中明亮的光環(huán)其實是M87*周圍的吸積盤發(fā)出的光，被事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）拍攝記錄下來，成為人類史上第一張高分辨率黑洞照片（確切地說，其實是黑洞視界的照片）。

M87星系中心超大質(zhì)量黑洞M87*│圖源：EHT

近期，以我國科學(xué)家為主導(dǎo)的涵蓋全球45個科研機(jī)構(gòu)組成的國際科研團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，M87中心黑洞正如陀螺般自旋。科研人員在東亞甚長基線干涉測量網(wǎng)（EAVN）的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)在2017年3月的觀測數(shù)據(jù)中，M87*的噴流指向與以往不同?？蒲腥藛T抓住這一現(xiàn)象，通過進(jìn)一步分析23年里全球多個VLBI網(wǎng)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)M87中心黑洞噴流呈現(xiàn)周期性擺動，周期約為11年，振幅約為10度，由此推斷M87中心黑洞存在周期性自旋，這一現(xiàn)象符合愛因斯坦廣義相對論的預(yù)測。值得一提的是，參與了這項研究的射電望遠(yuǎn)鏡包含我國上海天文臺65米天馬射電望遠(yuǎn)鏡以及新疆天文臺南山觀測站26米射電望遠(yuǎn)鏡，這兩臺射電望遠(yuǎn)鏡為提高EAVN的觀測靈敏度和分辨率貢獻(xiàn)了重要力量。

M87中心黑洞噴流結(jié)構(gòu)變化│圖源：Yuzhu Cui et al. 2023

東亞甚長基線干涉測量網(wǎng)參與了此項研究的射電望遠(yuǎn)鏡│圖源：Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse, 之江實驗室

雖然天文學(xué)家對M87*已經(jīng)有了一些初步了解，但必定還有許多未知等待人類去探索（比如：這些質(zhì)量龐大的黑洞是如何形成的？這一問題目前仍眾說紛紜），期待隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使我們可以在不遠(yuǎn)的將來解開這些謎題。

參考文獻(xiàn)

（1）王爽，宇宙奧德賽：飛向宇宙盡頭，清華大學(xué)出版社，2023.1
（2）江悟、沈志強(qiáng)、路如森，M87黑洞“指紋”，天文愛好者，2021年第6期
（3）崔玉竹等，Precessing jet nozzle connecting to a spinning black hole in M87,Nature,2023.9
（4）天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)M87星系中黑洞噴流周期性進(jìn)動，云南大學(xué)中國西南天文研究所，http://www.swifar.ynu.edu.cn/info/1111/3044.htm
（5）是誰讓M87*黑洞噴流不停搖擺，微信公眾號“天文茶餐廳”，https://mp.weixin.qq.com/s/gkToAZaq0-jI2rfAOBi94A

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