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人类首次测量超级黑洞半径 质量约为太阳60亿倍

http://www.kexue.com 2012-09-29 09:31:41 腾讯科学  发表评论

“事件视界”望远镜首次测量星系巨黑洞半径
计算机模拟生成的M87星系中央区域黑洞极端引力场扭曲周围物质的效果图
“事件视界”望远镜首次测量星系巨黑洞半径
本次黑洞半径测量区域与事件视界之间的位置关系图,吸积盘最内侧的测量半径达到事件视界的5.5倍

  黑洞作为宇宙中最神秘的天体之一在于其拥有强大的引力场,哪怕是光也无法逃脱。在大多数星系的核心区域都存在质量达太阳数十亿倍黑洞,超大质量黑洞具有强大的引力场,影响范围可波及整个宿主星系。日前,由麻绳理工学院海斯塔克天文台(Haystack)研究人员领导的国际科学家小组首次测量了遥远星系中央区域黑洞的半径,在物质彻底落入黑洞之前可以抵达的最远事件视界边缘。

  图中显示了由计算机模拟出的室女座M87星系中央黑洞极端引力场扭曲位于事件视界附近喷流的情形,其中部分辐射被引力严重弯曲成一个环形,这也是我们通常所说的黑洞“影子”。科学家们将位于夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的射电望远镜阵列联合,形成一个“事件视界望远镜”(EHT),其观测能力是哈勃空间望远镜的2000倍。天线指向M87星系方向,这是一个距离银河系5000万光年的椭圆星系,其中央存在一个超大质量黑洞,质量达到太阳质量的60亿倍,科学家通过“事件视界望远镜”可观测到黑洞边缘附近发出的光线,这个可视的区域就被称为事件视界。

  根据麻省理工学院海斯塔克天文台助理主任、史密森天体物理中心天文台助理研究员夏普·多尔曼(Shep Doeleman)介绍:“一旦物体坠入事件视界之内,它们就永远消失,这就如同一个宇宙的出口,但只要走进这扇门就回不来了。”本项研究结果刊登在本周的《科学》期刊上。黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的极端天体,这里的引力将是无法想象的,可将巨大质量的天体(如恒星)物质吸入至一个奇点上。而在黑洞的边缘,强大的引力使得一定范围之内的天体都围绕着黑洞旋转。

  被黑洞引力控制住的天体并非立刻落入奇点,而是在黑洞周围形成盘状物质螺旋,这就是由气体和尘埃等弥散物质构成的吸积盘,其上的物质以接近光速的速度运动,随着时间的推移,吸积盘的角动量将会使得黑洞的自转方向与物质流的方向一致。图2中显示了典型的存在于大多数星系中央区域的超大质量黑洞吸积盘(橙色区域)模型,在吸积盘两端都出现了相对论喷流,落入黑洞的物质螺旋盘面磁场受到自转方向的扭曲,沿着两个方向释放出强大的喷流。

  喷流外围可看到呈现螺旋状的磁场,可加快吸积盘上形成高速喷流。从黑洞吸积盘面上向两个方向释放的喷流携带呈现电中性的粒子束,可影响数十万光年的星系区域,其中就包括有些恒星快速形成之谜。然而,爱因斯坦是正确的吗?相对论喷流的轨迹或可以帮助科学家了解在黑洞引力场主导区域内的动力学特性,夏普·多尔曼认为如此极端的引力环境完美证明了爱因斯坦的广义相对论。

  爱因斯坦的理论在非极端引力场的条件下符合观测结果,比如地球或者太阳系中,但科学家们还没最终核实广义相对论在黑洞边缘的自洽性,这里是宇宙中唯一可能打破该定律的地方。广义相对论推出黑洞的质量和自转决定了物质在落入事件视界之前的轨道,天文学家对M87星系中央大质量黑洞相对论喷流大小的详细测量以评估黑洞的自转。但目前为止,还没有望远镜可以放大该黑洞的信号到观测所需的精度。

  通过这项技术,夏普·多尔曼和他的研究小组测量了吸积盘最内侧的轨道,只有黑洞事件视界半径的5.5倍。根据物理学定律,吸积盘最内侧轨道半径大小表面吸积盘的旋转方向与黑洞的自转方向相同,这也是首次确认星系中央超大质量黑洞吸积盘两端释放的相对论喷流理论。该研究团队的科学家计划扩大“事件视界”望远镜阵列,增加位于智利、欧洲、墨西哥、格陵兰和南极的射电望远镜阵列,以便将来获得更多关于黑洞的详细照片。(Everett)

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