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凝视深渊:人类史上第一个黑洞演变影像问世!

凝视深渊:人类史上第一个黑洞演变影像问世!
2020年09月25日 10:23 新浪网 作者 麻省理工科技评论

  天文物理学家曾在 2019 年 4 月 10 日公布了人类历史上的首张黑洞照片,当时引起巨大轰动。

  如今,一年多时间过去,人类史上第一个黑洞演变影像问世了。完成这个影像的研究团队,是一个观测点遍布全球的、名为事件视界望远镜的国际观测台联盟(EHT,The Event Horizon Telescope)。前述首张黑洞照片也是由这支全球联合团队拍摄的。

  照片和影像的主角,都是位于 M87 星系中心的黑洞(以下简称 M87 黑洞)。EHT 的研究人员在依据 2017 年的观测数据发布黑洞照片后,继续顺藤摸瓜,对其在 2009 年至 2017 年间对 M87 黑洞的历史观测数据进行了分析,并以此成功生成了多张 M87 黑洞的老照片,随后,他们将几张照片连在一起按时间顺序切换放映,于是便生成了一段 M87 黑洞在 2009 至 2017 年间的低帧演变影像。

黑洞照片

  M87 黑洞距地球约 5500 万光年。2019 年 EHT 公布的其首张照片,是由 ETH 成员天文台在 2017 年 4 月的两个晚上所收集的数据生成,视界的外貌,特别是中心区域不太发光的阴影,与广义相对论对于黑洞外表模样的预测相符,并为 “黑洞视界存在阴影区域” 提供了首个直接观测证据。

  图 | 2019 年公布的位于 M87 星系中心的黑洞的照片,图中发光区域的内侧为黑洞视界的边界(来源:EHT Collaboration)

  而照片中 “发亮区域的一侧看起来比另一侧更亮”,也与黑洞附近的复杂动力学理论的预期相符,那些被吸入黑洞的物体会先在黑洞外围高速旋转,形成黑洞的吸积盘(the accretion disk),而其中发亮区域一侧比另一侧更亮的外观,则是由多普勒效应造成,也就是如果我们从照片所采用的观测方向的反方向观测 M87 黑洞,我们会发现黑洞的“上方” 更亮,“下方”更暗(与照片中的 “上下” 明暗分布相反)。

  被遗忘的数据

  基于对 2017 年 4 月两个晚上的观测数据的分析经验,EHT 的研究人员接下来又对天文台自 2009 年起对 M87 黑洞的历史观测数据进行了分析。

  虽然起初 EHT 在全球仅有三个地面望远镜设施对准 M87 黑洞进行观测,且直到 2017 年才将观测 M87 的全球观测站数量扩充到了能实际产出图像的水平(总共 8 个观测站,地理分布上基本覆盖全球),但 EHT 在 2017 年的数据集之前,就已经对 M87 黑洞建立了 2009、2011、2012 和 2013 四个按年份划分的观测数据集。

  图 | EHT 观测网与 M87 黑洞理论外貌随时间的演变(来源:EHT 的 M.Wielgus 和 D.Pesce)

  论文主要作者、哈佛大学的天文学家 Maciek Wielgus 说:“从某种意义上来说,这些历史数据是被我们遗忘了,由于观测站数量的增加,当时大家都对 2017 年的数据兴趣很大,因此在 2019 年发布的研究结果中,我们可以说是只分析了 2017 年的数据,而没有对那之前的数据集进行太多处理。”

  在本次发表的研究中,Maciek Wielgus 和同事基于之前分析数据的经验,把 2009 至 2013 年的四个数据集也分别生成了照片,结果与理论预期相符,与 2017 年的照片一样,都展现了黑洞 “拥有视界阴影” 和由多普勒效应导致的 “一边亮一边暗” 的外貌。

  但值得注意的是,结合 2017 年的图像来看,在从 2009 至 2017 年总共五个数据集所分别生成的图像中,视界的较亮区域和较暗区域应该是在这几年中一直都在移动,但根据此次发表的论文所给出的说法,这一现象并未“令人感到意外”。

  明暗位置之变

  图 | M87 黑洞的吸积盘模拟图,旨在体现出其动态特征。  (来源:EHT / HOTAKA SHIOKAWA)

  具体来说,M87 黑洞本身其实应该并没有发生变化,图像中的明暗区域移动对应的可能是黑洞周遭环境的变化。

  一般来说,在仅仅几周的时间里,黑洞的强磁场就能搅动吸积盘,在吸积盘中产生温度极高的区域,并使其绕黑洞旋转,进而继续发光发热以至于让我们能观测到。而由于此前的历史观测数据精度受限,比如没有足够多的观测站,缺乏数据等。

  就目前而言,此次研究所展现的这种明暗区域变化,也许可以说明两个方面,一是根据广义相对论,事件视界的阴影直径不会随时间变化,二是我们刚才所提到的,可能是黑洞周遭环境中的物质变化(比如周遭环境中的物质密度)造成了这种现象,但无论如何,从 EHT 自 2009 年以来不断提升的数据收集能力来看,人类目前已经初步具备了 “对宇宙中的极端物理环境” 进行精确观测的能力。

  Maciek Wielgus 说:“了解黑洞附近这种超级极端环境下的物质间相互作用,对物理学发展来说至关重要。要知道,在没有 EHT 之前,我们能观测到的黑洞数据就好比是一张分辨率只有单个像素的图片,我们能从中得知亮度的变化,但并不能清楚地知道究竟发生了什么。”

  目前,EHT 正在分析其 2018 年所产生的观测数据,并计划于 2021 年投入全球总计 10 个观测站对 M87 黑洞进行进一步观测,而如果能产出足够精细的有效数据,EHT 未来针对 M87 黑洞的观测活动或能帮助科学家们进一步了解黑洞附近环境中物理学,甚至在学界内激发出一些与黑洞自旋、黑洞磁场强度以及黑洞周围物质等离子体微观物理学有关的新见解。

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