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科普 | 如何“看到”超大質(zhì)量黑洞?

發(fā)布日期:2022-11-23??來(lái)源:光明日?qǐng)?bào)??作者:吳學(xué)兵??瀏覽次數(shù):1107
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核心提示:盡管在20世紀(jì)60年代科學(xué)家就提出正常星系中心存在大質(zhì)量黑洞,但觀測(cè)上證實(shí)這一點(diǎn)卻非常困難,因?yàn)樾枰呖臻g分辨率的觀測(cè)才能給出令人信服的證據(jù)。利用地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,天文學(xué)家在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)幾個(gè)非常近鄰的正常星系如M31和M32的中心區(qū)域開(kāi)展了光譜觀測(cè),試圖利用吸收線光譜示蹤的氣體運(yùn)動(dòng)來(lái)得到中心黑洞存在的證據(jù),但鑒于空間分辨率有限,結(jié)果

盡管在20世紀(jì)60年代科學(xué)家就提出正常星系中心存在大質(zhì)量黑洞,但觀測(cè)上證實(shí)這一點(diǎn)卻非常困難,因?yàn)樾枰呖臻g分辨率的觀測(cè)才能給出令人信服的證據(jù)。

利用地面大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,天文學(xué)家在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始對(duì)幾個(gè)非常近鄰的正常星系如M31和M32的中心區(qū)域開(kāi)展了光譜觀測(cè),試圖利用吸收線光譜示蹤的氣體運(yùn)動(dòng)來(lái)得到中心黑洞存在的證據(jù),但鑒于空間分辨率有限,結(jié)果有很大不確定性。直到1990年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射后,這一情況才得以顯著改善。哈勃望遠(yuǎn)鏡具有高達(dá)0.1角秒的空間分辨率,觀測(cè)能力往往比地面望遠(yuǎn)鏡高上10倍,它在1995年后對(duì)近鄰星系中心的觀測(cè)極大地改善了原來(lái)地面望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果,而且還對(duì)很多更遙遠(yuǎn)星系的中心區(qū)域進(jìn)行了觀測(cè),精確測(cè)量了這些星系中心超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。

來(lái)源:視覺(jué)中國(guó)

測(cè)量近鄰星系中心黑洞質(zhì)量的方法一般有三種,即利用中心黑洞周?chē)阈?、電離氣體以及微波脈澤動(dòng)力學(xué)方法。前兩者被大量應(yīng)用于哈勃望遠(yuǎn)鏡及地面光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡對(duì)幾十個(gè)近鄰星系中心黑洞的觀測(cè)中。近20年來(lái),利用計(jì)算機(jī)控制望遠(yuǎn)鏡鏡面形狀的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)普遍應(yīng)用于地面大型望遠(yuǎn)鏡的紅外波段天文觀測(cè)中,通過(guò)鏡面變形有效消除地球大氣的影響可獲得高達(dá)0.01角秒的空間分辨率。

德國(guó)天文學(xué)家根澤爾和美國(guó)天文學(xué)家蓋茲基于這一技術(shù)分別利用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河系中心黑洞周?chē)鷰资w恒星的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20多年的紅外波段監(jiān)測(cè),確定銀河系中心黑洞質(zhì)量為400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量(兩人與彭羅斯一起分享了2020年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。

自1995年以來(lái),利用射電望遠(yuǎn)鏡干涉的微波脈澤動(dòng)力學(xué)方法通過(guò)探測(cè)圍繞黑洞運(yùn)動(dòng)的分子氣體盤(pán)的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng),并結(jié)合干涉技術(shù)所具有的毫角秒級(jí)超高空間分辨率,科學(xué)家可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量一些近鄰星系中心的黑洞質(zhì)量。

近幾年,這一技術(shù)也擴(kuò)展到通過(guò)利用毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡(如智利的ALMA)探測(cè)一氧化碳分子氣體的運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)量近鄰星系的中心黑洞質(zhì)量。美國(guó)天文學(xué)家通過(guò)對(duì)星系NGC135和NGC4261的ALMA望遠(yuǎn)鏡觀測(cè),得到其中心黑洞質(zhì)量分別為20.8億和16.7億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

對(duì)近鄰星系中心超大質(zhì)量黑洞的直接成像是近年來(lái)黑洞研究方面取得的最具突破性的進(jìn)展,實(shí)現(xiàn)這一成像需要高達(dá)幾十微角秒的空間分辨率。2019年4月10日,由世界上200多位天文學(xué)家組成的事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)公布了在2017年4月利用全球8個(gè)毫米波望遠(yuǎn)鏡組成的全球EHT甚長(zhǎng)基線干涉陣列拍攝的首張黑洞照片,引起舉世轟動(dòng)。這一黑洞位于距離地球5000萬(wàn)光年的橢球星系M87中心,照片上可直接看到黑洞的“陰影”和環(huán)繞著黑洞陰影但亮度南北不對(duì)稱(chēng)的光環(huán)。這是天文學(xué)家利用地球直徑大小的望遠(yuǎn)鏡陣列得到至今最高的空間分辨率(20微角秒)所拍攝的毫米波段天體的照片,其中的陰影直接證明了黑洞的存在。EHT8個(gè)望遠(yuǎn)鏡的干涉得到了更為準(zhǔn)確的M87星系中心離地球的距離為5.48千萬(wàn)光年,根據(jù)陰影大小得到M87中心黑洞的質(zhì)量為65億倍太陽(yáng)質(zhì)量。

2022年5月12日,EHT國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)又公布了2017年4月同樣利用EHT干涉陣列拍攝的銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的照片,從照片上仍然可看到黑洞的陰影和環(huán)繞著黑洞陰影的光環(huán)。陰影的大小也證實(shí)了銀河系中心存在質(zhì)量為400萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。眼見(jiàn)為實(shí),這些黑洞照片讓人類(lèi)從視覺(jué)上感受到了超大質(zhì)量黑洞的存在。我國(guó)由中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)牽頭也有十多位科學(xué)家參加了這些黑洞照片的拍攝工作,為此作出了重要貢獻(xiàn)。

(作者系北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授、系主任,科維理天文與天體物理研究所副所長(zhǎng))

責(zé)任編輯:胡惠雯

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