科学家成功捕捉M87黑洞喷流周期性进动

科学家成功捕捉M87黑洞喷流周期性进动9月27日深夜，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了这一重磅发现。动画模拟中，M87黑洞自转的样子好像一只即将停下的陀螺，在深邃的宇宙中摇摆旋转。虽然这一切看起来与人们眼前的衣食住行无关，但或许未来当人类进行星际旅行时，会回想起这一刻。几个“反常”数据触发探索灵感在浩渺宇宙中，活动星系的中央有着超大质量黑洞。这一近百年前由爱因斯坦预言的神秘天体，终于在2019年被人类拍下了第一张剪影。质量和自旋，是黑洞的两大基本参数。目前，黑洞质量已经有了成熟的估算方法，可黑洞是否会自旋，却仍是一个谜。1963年，天文学家在理论上证明了黑洞自旋的存在。而2016年引力波的发现，则使“黑洞自旋”拥有了间接证据——两个黑洞在旋转合并时，会拖拽周围时空，引发“时空涟漪”的引力波。那么，如何能获得黑洞自旋的更为直接证明？2017年，当时在日本国立天文台/日本综合研究大学院大学攻读博士课程的崔玉竹在处理东亚甚长基线干涉（VLBI）观测网关于M87星系中央黑洞的喷流数据时，发现2017年M87的喷流结构与以往的结构指向不同。▲2013年至2020年期间每两年合并后的M87喷流结构（观测频段为43GHz）。对应的年份显示在左上角。白色箭头指示了每个子图中喷流轴线的指向（表征不同的喷流位置角）。（YuzhuCuietal.2023）黑洞周围物质在被黑洞吸入时，会发出极其明亮的光芒，看起来好像一个发亮的扁平圆盘，被称为吸积盘。物质被吸入黑洞后，它们所携带的巨大角动量最终以喷流的形式，被喷射出黑洞。这让黑洞、吸积盘、喷流看起来好像一个巨大的宇宙陀螺。“M87的黑洞喷流非常明亮，长达5000光年，过去大家一直以为它的喷射角度是不变的。”崔玉竹说，可有几个数据显示，喷流角度竟然与之前熟知的不同。“这到底是观测误差，还是意味着喷流在转动？”带着这个疑问，崔玉竹查询了从2000年至2022年国际VLBI观测网对于M87黑洞的170个观测数据，发现它的角度果然在不断变化。于是，来自全球10个国家的45个机构的70多位同行，与崔玉竹一起投入到了相关数据的整理、分析和模拟中。经过长达6年的努力，最终他们确定，M87喷流应该绕着一根“看不见的轴”旋转，周期大约为11年。M87中心黑洞应该处于自旋状态。云南大学中国西南天文研究所副研究员林伟康说，通过计算机的数据拟合，喷流方向的周期性变化，与黑洞自旋轴非常吻合，“这就直接证明了黑洞自旋的存在”。几十年VLBI观测带来厚积薄发在人类所认识的宇宙中，M87是个明星星系。它个头大，质量约为太阳的65亿倍；距离地球近，仅相距5500万光年，使得它成为天文学家观测的最佳对象之一。早在1918年，人们就发现了M87的喷流，成为宇宙中首个发现喷流的天体。此后，M87喷流就成为地球上各大射电望远镜的观测对象，尤其在全球射电望远镜联网组建VLBI观测网后，对M87的观测数据精度不断提高。而这次研究用到的数据，是VLBI观测网中时间跨度最大、数据数量最多的。▲东亚VLBI网络和意大利/俄罗斯射电望远镜组成的EATING观测网中参加了此论文的望远镜分布（YuzhuCuietal.2023、IntouchableLab@Openverse和之江实验室）“此次发现的关键数据，主要得益于东亚VLBI网的精度提升，而上海佘山的天马望远镜、新疆南山的26米射电望远镜，贡献了主要数据。”崔玉竹告诉记者，国内共有26位同行参与了这项研究。早在1986年，上海天文台就建成了佘山25米射电望远镜，并于1991年加入欧洲VLBI网的协联成员，1998年就参与到国际VLBI网的观测中。2017年，口径65米的天马望远镜建成并加入国际VLBI网。中国科学院上海天文台台长沈志强介绍，由于天马望远镜的高灵敏度，提升了整个网络的观测能力，“尤其使得东亚VLBI观测网的成像质量提升了约50%”。而新疆天文台南山望远镜则因其独特的地理位置，使东亚VLBI观测网的联网口径从3000千米扩展到5000千米。中国科学院新疆天文台研究员崔朗介绍，这台口径26米的射电望远镜于2017年加入东亚VLBI网，每年投入300小时参加相关观测。就在两周前，上海天文台日喀则40米射电望远镜开工建设，新疆天文台奇台110米射电望远镜也已在建设中。沈志强说，“未来，这些后起之秀的加入，将进一步提升观测能力，助力天文学家发现更多宇宙奥秘。”开启黑洞自旋深入研究新里程曾经，美国甚长基线阵（VLBA）对M87喷流的常年观测，帮助大家了解了很多M87的物理性质，以为对M87已经足够了解，已逐步取消观测时间，转向其他观测目标。而中国科学家的此次发现，使他们又开始恢复对M87喷流的长期监测计划。在模拟动画中，假设M87黑洞的自旋方向垂直于地面，它的吸积盘就如同与地面形成一定角度的陀螺螺体，而晃动的陀螺轴心则是一道长达5000光年的喷流。不过，与陀螺不同的是，吸积盘的运动中心就是其中心的黑洞。“这是一个非常漂亮而干净的结果，也是一个非常基础而重要的发现。”美国康奈尔大学教授、上海交通大学李政道研究所李政道访问讲席教授赖东提到，意大利、美国都曾发射卫星，专门探测天体的时空拖拽效应，但均未成功，“这次证明黑洞自旋的存在，将对这一效应的研究带来实质性推动”。如今，崔玉竹是之江实验室的一名博士后研究人员。她说，获得黑洞自旋的最为有力的证据后，还有一连串问题需要更深入的研究：M87黑洞自旋的速度是多少？黑洞自旋是否普遍存在？推动黑洞自旋的外力又来自何方？此外，自旋很可能是黑洞喷流产生的关键，那么这是否会给黑洞物质喷射的机制研究带来新视角？所有这些都等着她和众多同行一起寻找答案。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387127.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387127.htm

事件视界望远镜计划5月12日发布历史首张对银心人马座A*黑洞的可视化图像，是综合全球多地天文台于2017年4月的一段连续观测生成

事件视界望远镜计划5月12日发布历史首张对银心人马座A*黑洞的可视化图像，是综合全球多地天文台于2017年4月的一段连续观测生成。成像观测结果经特征聚类形成下方四套子图，再合并成平均值大图。人马座A*位于银河系中央，距地球2.7万光年，质量是太阳的四百万倍。研究人员形容，银心黑洞质量小、周围吸积气体公转周期短至仅几分钟，因此相比此前周期长达数日的M87*黑洞（）更难观测分析。研究人员说，人马座A*与M87*虽然大小悬殊、所处星系也不同，但两者视觉形象高度相似，体现出广义相对论对不同尺度黑洞都能较好适用。（，）

人类史上首张黑洞照片的主角是 Messier 87，距离地球 5300 万光年。黑洞会吞噬任何靠近它们的东西，包括气体、恒星、行

人类史上首张黑洞照片的主角是Messier87，距离地球5300万光年。黑洞会吞噬任何靠近它们的东西，包括气体、恒星、行星，甚至是其他黑洞。最新研究发现，M87黑洞释放到太空深处的能量相当巨大。天文学家近日深入分析了事件视界望远镜（EHT）在2021年获得的黑洞图像，发现它的磁场足够强，有时可以防止它吞噬附近的物质。安德鲁・查尔（AndrewChael）表示：“我们深入调查2021年的EHT图像之后，发现有能量正从黑洞附近流出，后续我们需要更高灵敏度的图像，来确定是否有能量从黑洞表面流出”。他是新泽西州普林斯顿大学的天体物理学家、这项新研究的主要作者。该研究的合著者AlexandruLupsasca表示，通过模型计算，M87黑洞释放到太空深处的能量，就像一把“长达数百万光年的绝地光剑”，长度是银河系的10倍。哈勃望远镜拍摄的从M87星系射出的能量喷射器之一的图像。普林斯顿大学的研究合著者GeorgeWong表示：“对于M87迸发的能量，你可以想象成地球大小的TNT炸药，在长达数亿年长河中，每秒爆炸1000次产生的效果”。这张4月发布的M87*图像是有史以来第一张能量射流从黑洞流出的图像。

天文学家首次拍摄到黑洞与喷流“全景照”

天文学家首次拍摄到黑洞与喷流“全景照”最近，由中国科学院上海天文台研究员路如森领导的国际研究团队，换了个频道看M87黑洞，首次拍到了M87的黑洞全景。照片里，不仅有“甜甜圈”，还能看到从“甜甜圈”向远处延展的“尾巴”，即黑洞的喷流。作为EHT照片的拓展，新照片首次展现出了黑洞和它周围环境的关系。4月26日，相关成果发表于《自然》。“甜甜圈”长了“尾巴”、发了“胖”黑洞，是一个引力极强的时空区域，包括光在内的任何东西都无法逃逸。它可以“吃掉”靠近它的一切。此次，天文学家用3.5毫米波段开展了新观测。他们拍摄到的黑洞照片中，依然可以清晰看到“甜甜圈”——黑洞周围绕转着热气体，这些气体在不断发出辐射，形成亮环。与此同时，黑洞附近被“吐出”的气体也被拍到，“甜甜圈”长出了“尾巴”。“以前我们曾在单独的图像中分别看到过黑洞和喷流，但现在我们在一个新的波段拍摄了黑洞和喷流的全景图。”论文第一作者路如森告诉《中国科学报》。“我们可以看到喷流是如何从中央超大质量黑洞周围的环状结构中出现的，也可以在另一个波段测量黑洞周围环状结构的直径。”德国马普射电天文研究所的ThomasKrichbaum说。通过这张全景图，天文学家获得了一些关于黑洞的新认识。他们发现“甜甜圈”比之前“胖”了。“本次的观测波长是3.5毫米，而EHT的观测波长是1.3毫米，我们看到的环状结构变得更大、更厚。这表明在新图像中可以看到落入黑洞的物质产生了额外辐射。这使我们能更全面地了解黑洞周围的物理过程。”路如森说。他们还发现黑洞不是“很饿”。“它消耗物质的速度很低，只将其中一小部分转化为辐射。于是，为了了解这个更大、更厚的环的物理来源，我们使用计算机模拟测试不同的情况。最终我们得出结论，亮环更大、更厚与吸积流有关。”台湾地区“中研院”天文和天体物理研究所的KeiichiAsada说。此外，从数据中，他们还看到了一些“令人惊讶的事情”。日本国立天文台的KazuhiroHada说：“在靠近黑洞的内部区域，辐射宽度比我们预期的宽。这可能意味着黑洞周围不仅仅有气体落入，也可能有一股‘风’吹出来，造成黑洞周围的湍流和混乱。”不过，路如森表示，尽管发现了很多新现象，但“星系中央的超大质量黑洞是如何形成的，仍是未解之谜”。尽管还有很多问题无法回答，但论文的两位审稿人都给予高度评价。一位审稿人指出：“该研究具有独创性、主题性，表现力强，可以引起人们的普遍兴趣，值得在《自然》杂志上发表。”另一位审稿人评价：“这项工作是及时的，是在理解活动星系核喷流的形成和准直方面迈出的重要一步。”黑洞照片的背后此次研究由中国学者路如森领衔，成员来自17个国家和地区的64家研究单位，共计121位。拍摄动用了全球16台射电望远镜，共同组成了一台口径等效于地球直径的望远镜。16台射电望远镜包括全球毫米波阵的14台望远镜、位于智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列，以及位于格陵兰岛的格陵兰望远镜。黑洞新照片其实在5年前的2018年4月14日至15日就已经拍好，但直至今日才正式发布。“在初步处理数据后，我们从中注意到了前所未有的新特征。之后用了5年，经过复杂的数据处理和成图过程、反复验证和确认结果，才最终发布。”路如森说。在将“生数据”处理成“熟数据”过程中，他们前后做了4次甚长基线干涉测量技术分析中的“互相关处理”以及相应的“相关后处理”分析。“大家克服了来来回回返工的煎熬，得到了最可靠的‘熟数据’。”路如森说。从“熟数据”重建观测图像时，研究团队遇到了前所未有的挑战。“这是一张视场很大的图像，图像包含许多成分，且这些成分的亮度差异很大。通过汇聚遍布全球各地许多合作者的经验，经过各种尝试和反复验证，我们才克服了这些困难。”路如森说。要拍“彩照”，还要拍“电影”路如森和他领衔的国际研究团队，已经想好了下一步目标——与EHT一起给黑洞拍摄“彩色”照片。所谓“彩色”就是在不同的观测波长上给黑洞拍照。“进一步的观测和强大的望远镜阵列将继续揭开它的神秘面纱。”韩国天文和空间科学研究所的JonghoPark说，“未来，毫米波观测将研究M87黑洞的时间演变，并将结合不同颜色的‘射电光’图像获得M87中心黑洞区域的多色视图。”在上海天文台台长、研究员沈志强看来，未来非常令人期待。“此次展现的3.5毫米波长图像代表了当前的最新成就，但为了揭开M87中央超大质量黑洞及其相对论性喷流的形成、加速、准直传播的物理机制之谜，我们需要拍摄更多色的高质量图像，包括在0.8毫米或更短的亚毫米波波长的黑洞照片，以及在长至7.0毫米波长的黑洞和喷流的全景图像。”沈志强说。“由于不同波长的电磁辐射揭示了黑洞附近不同的物理过程，相比于‘单色’黑洞，‘彩色’黑洞将带给我们更多信息，帮助我们更好理解黑洞本身，以及它和周围环境的关系。”路如森说。路如森还有一个更远的目标——给黑洞拍“电影”。“黑洞并不是静止的，而是每时每刻都和周围环境相互作用，因此不同时刻看它，它是不一样的。拍摄‘动态’黑洞要求我们在空间维度上再解锁时间维度，以便全方位观测和理解黑洞。”路如森说。对于5500万光年外的M87星系来说，黑洞图像的变化速度缓慢，需要通过长时间监测才能拍出它的变化。“EHT在过去几年进行了多次连续成像观测，未来5年也有持续的观测计划。这些观测数据将呈现M87黑洞在10年时间跨度上的‘电影’。”路如森说。对于人类所居的银河系中央的银心黑洞，目前EHT的望远镜分布不足以实现“快拍模式”的动态摄影，“丢帧”问题严重。但路如森对未来保持乐观：“随着更多望远镜加入，人类将能达到所需的时间分辨率，并最终拍出‘黑洞电影’。”相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05843-w...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1356983.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1356983.htm

天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态

天体物理学家利用模型准确预测了观测到的M87黑洞喷流的形态自从发现喷流以来，包括诺贝尔奖获得者罗杰-彭罗斯爵士在内的许多学者都在研究这些神秘现象的形成。目前，有两种主要模型试图解释喷流的形成："BZ-喷流模型"是以研究人员布兰福德和兹纳杰克的名字命名的，也是目前最有影响力的模型，它认为喷流是通过与黑洞事件视界相连的磁场线从黑洞中提取自旋能量而形成的。与此相反，第二种模型认为喷流是通过从黑洞的吸积盘中提取旋转能量形成的。后者是在黑洞强大引力作用下围绕黑洞旋转的电离气体的集合。第二种模型可以被称为"圆盘-喷流模型"。尽管其他研究人员已经使用BZ射流模型模拟了广义相对论准直外流，实际上也就是射流，但还不清楚BZ射流模型能否解释观测到的实际射流的形态，包括其拉长的结构、宽度和边缘增亮（即射流边缘附近亮度增加）。为了研究这两个模型的有效性，中国科学院上海天文台袁峰博士领导的一个国际研究小组计算了这两个模型分别预测的位于室女座巨型星系Messier87（M87）中心的超大质量黑洞的喷流。研究小组随后将计算结果与对M87喷流的实际观测结果进行了比较，后者被记录在事件地平线望远镜（EHT）首次捕捉到的黑洞图像中。研究小组的研究表明，BZ-喷流模型准确地预测了观测到的M87喷流的形态，而圆盘-喷流模型则难以解释观测结果。该研究发表在《科学进展》（ScienceAdvances）上。模型预测图像与观测图像的对比研究小组首先采用了三维广义相对论磁流体力学（GRMHD）模拟来再现M87喷流的结构。为了计算模拟喷流的辐射并将辐射与观测结果进行比较，辐射电子的能谱和空间分布至关重要。研究小组假设电子加速是通过"磁重联"发生的，即磁能转化为动能、热能和粒子加速的过程。根据这一假设，研究小组结合粒子加速研究的结果，利用动力学理论求解了稳态电子能量分布方程。然后，研究小组获得了模拟射流不同区域的电子能量谱和数量密度。在距离核心的三个距离上，由基准模型预测的边缘增亮（实线）及其与观测数据的比较（虚线）将这些信息与吸积模拟（包括磁场强度、气体等离子体温度和速度）相结合，研究小组获得了可以与实际观测结果进行比较的结果。结果显示，BZ-喷流模型预测的喷流形态与观测到的M87喷流形态非常吻合，包括喷流宽度、长度、边缘增亮特征和速度。相比之下，盘状喷流模型的预测结果与观测结果不一致。此外，研究小组还分析了磁再连接过程，发现它是由于M87黑洞吸积盘中的磁场产生的磁爆发造成的。这些爆发对磁场造成了强烈的扰动，这种扰动可以传播很远的距离，从而导致喷流中的磁重联。这项工作弥合了喷流形成动态模型与各种观测到的喷流特性之间的差距，首次证明BZ喷射模型解决了喷流的能量问题，也解释了其他观测结果。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428700.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428700.htm

黑洞的深层引力天坑将倒霉的恒星扭曲成甜甜圈的形状

黑洞的深层引力天坑将倒霉的恒星扭曲成甜甜圈的形状这些过程被称为"潮汐力破坏事件"。但是，这种措辞掩盖了黑洞遭遇的复杂、原始的暴力。黑洞的引力将恒星的东西拉进来，而辐射则将物质吹出去，两者之间存在着一种平衡。换句话说，黑洞是相当不择手段的吃货。天文学家们正在利用哈勃来了解当一颗不听话的恒星坠入引力深渊时会发生什么的细节。哈勃无法近距离拍摄AT2022dsb潮汐事件的混乱情况，因为这颗被吞噬的恒星位于ESO583-G004星系核心的近3亿光年之外。但是天文学家利用哈勃强大的紫外线敏感度来研究来自碎裂恒星的光线，其中包括氢气、碳和更多。。天文学家使用NASA的哈勃太空望远镜详细记录了一颗恒星被黑洞吞噬的最后时刻。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心，首席制作人保罗-莫里斯天文学家使用各种望远镜已经探测到大约100个黑洞周围的潮汐破坏事件。美国宇航局最近报告说，它的几个高能空间观测站在2021年3月1日发现了另一个黑洞潮汐破坏事件，它发生在另一个星系。与哈勃观测不同的是，数据是在黑洞周围的极热日冕中收集的，该日冕是在恒星已经被撕碎后形成的。"然而，考虑到观测时间，在紫外光下观察到的潮汐事件仍然非常少。这真的很不幸，因为你可以从紫外线光谱中获得很多信息，"位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛大学和史密森尼中心（CfA）的艾米莉-恩格尔塔勒说。"我们很兴奋，因为我们可以得到这些关于碎片正在做什么的细节。潮汐事件可以告诉我们很多关于黑洞的信息。这颗注定失败的恒星状况的变化是在几天或几个月的时间内发生的。"对于任何一个中心有一个静止的超大质量黑洞的星系，估计每10万年才会发生几次恒星碎裂。这个AT2022dsb恒星被撕碎的事件在2022年3月1日首次被全天域超新星自动观测系统（ASAS-SN或"刺客"）捕捉到，该系统是一个地面望远镜网络，大约每周一次对银河系外的天空进行调查，以寻找塑造我们宇宙的暴力、可变和短暂的事件。这次高能量的碰撞离地球足够近，也足够亮，哈勃天文学家可以在比正常时间更长的时间内进行紫外线光谱分析。"通常情况下，这些事件是很难观察到的。当它真的很亮的时候，你可能会在破坏的开始得到一些观察。我们的计划是不同的，因为它的目的是在一年内观察一些潮汐事件，"CfA的PeterMaksym说。"我们很早就看到了这一点，我们可以在这些非常强烈的黑洞吸积阶段观察它。我们看到吸积率下降，因为它随着时间的推移变成了涓涓细流。"哈勃光谱数据被解释为来自一个非常明亮的、热的、甜甜圈形状的气体区域，它曾经是这颗恒星。这个区域被称为环形，有太阳系那么大，围绕着中间的一个黑洞旋转。"我们正在寻找那个甜甜圈边缘的某个地方。我们看到来自黑洞的恒星风掠过表面，以每小时2000万英里（光速的百分之三）的速度向我们投射过来，"马克西姆说。"我们真的还在为这个事件伤脑筋。你撕碎了恒星，然后它的这些物质就进入了黑洞。所以现在我们有了一些模型，认为你知道发生了什么，加上实际看到的东西。这对科学家来说是一个令人兴奋的点：就在已知和未知的界限之间。"2022年1月12日，在华盛顿州西雅图举行的美国天文学会第241次会议的新闻发布会上报告了这些结果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1339229.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1339229.htm