M87 黑洞的光環隨時間在晃動,科學家喜見吸積盤動力學

作者 | 發布日期 2020 年 09 月 25 日 16:15 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


2019 年時,天文學家第一次直接拍攝了不可見的黑洞,形狀就跟愛因斯坦預測的一模一樣,可見到眉月形的光環與中心陰影。現在新研究發現,M87 黑洞的發光環正隨著時間推移明顯晃動,原因是氣體和物質落入黑洞時被加熱到數十億度並電離,導致黑洞外觀變化,從本質上講,天文學家是捕捉到了黑洞進食。

根據目前理論,黑洞是透過不斷吸收周圍氣體與物質來成長,落在黑洞上的物質因高速摩擦加熱而在外圍形成吸積盤、產生輻射,成為宇宙中最亮的天體,天文學家便可藉此推斷出哪裡有黑洞,否則黑洞本體是與宇宙融為一體、不可見的。

2017 年 4 月開始,事件視界望遠鏡(EHT)開始觀測 M87 星系核心的超大質量黑洞,距地球 5,500 萬光年。經過 2 年資料處理,團隊於 2019 年 4 月 10 日發布了第一張黑洞直接影像(見下圖),最中間的陰影為黑洞事件視界,由於該區域內失去所有光線故呈黑色,這也是黑洞存在的直接證據;圍繞在事件視界邊緣外的是吸積盤,氣體物質因高速摩擦被加熱到輻射出 X 射線,但人眼不可見,故經假色處理呈現橙色或紅色,而光環的「下半」部分較明亮,因此實際上像呈現月牙形外觀。

▲ M87 中心黑洞第一張直接成像照片。(Source:ESO

這張照片成為了對照組。天文學家開始統整 2009~2017 年的舊數據製成新圖像,然後與這張照片比較,先是確認這個 66 億太陽質量的黑洞陰影直徑,始終與愛因斯坦廣義相對論的預測結果一致,還驚喜地發現黑洞外觀隨著時間發生明顯變化,比如光環左側在 2011 年最亮,2013 年最暗;2012 年時光環最亮的位置一會出現在上方、一會出現在下方等。

▲ 黑洞光環隨時間發生明顯擺動。

這對科學家來說是個大新聞,他們第一次看到了極端重力條件下極度接近黑洞事件視界的吸積盤動力學結構,而導致光環晃動的原因是黑洞環境如:磁場強度、旋轉速度、傾斜度等發生改變。

由於吸積盤模型並不只一種,但並非所有模型都允許光環能出現這麼大的波動,這代表我們已經可以開始排除某些模型。

團隊下一步將著手分析從 2018 年開始的觀測數據,2021 年還會增加另外 2 個天文台站點的觀測資料,屆時我們將更接近黑洞陰影,獲得更清晰的圖像。新論文發表在《天文物理期刊》(The Astrophysical Journal)。

(圖片來源:事件視界望遠鏡

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