黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

2019年,天文學家們震驚了世界,他們釋出了一張史詩級的圖片,照片中可以看到物質圍繞著距離地球5500萬光年的M87星系核心的超大質量黑洞旋轉。天文學家們將地球周圍的射電望遠鏡連線起來,創造了“事件視界”望遠鏡,這是一個虛擬的、模擬了地球大小口徑的望遠鏡,實現了這個驚人的觀測。

更多的觀測還顯示,即使環本身的形狀和大小相當穩定,黑洞周圍的物質亮度仍然發生了變化。這些都有助於天文學家瞭解物質進入黑洞的最後一躍前發生了什麼。

M87星系有一股強大的物質噴流從其中心黑洞噴發而出,噴流由即將落入黑洞的物質產生的巨大磁場提供動力。來源:NASA, ESA, 及 the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); 致謝: P。 Cote (茨伯格天體物理研究院) 及 E。 Baltz (斯坦福大學)

透過無線電波可以觀測到物質漩渦發出的光,它們遠遠超出我們的眼睛所能看到的範圍。這種型別的光不是由物質發熱產生的——儘管物質的確是令人難以置信的高溫——而是因為物質中嵌入了強烈而複雜的磁場。雖然這個影象令人震驚,但它並沒有告訴我們太多關於磁場的資訊,磁場是驅動黑洞周圍大量力學活動的力量。

但到今天,已經有三篇相關論文出版了。利用事件視界望遠鏡的資料,天文學家能夠繪製出來自物質的偏振光,這是研究磁場的關鍵。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

M87星系中心超大質量黑洞周圍物質的實際影象,顯示了來自拋射物質的偏振光方向。這是由物質磁場造成的,它促成了大部分物質的拋射。來源:EHT

光可以被認為是一系列把能量從物體上帶走的波。通常這些波的方向是隨機的;如果你把它想象一根吉他弦,你可以撥動它,它會上下、左右,或向任何方向震動。

然而,有些現象發出的波是整齊的——就像彈吉他時,弦都是水平振動的。以這種方式排列的光波稱為偏振光。你們可能已經瞭解過這個概念:從金屬或玻璃上反射的光可以是偏振光。偏振光太陽鏡有濾光片,濾光片中的分子都是朝一個方向排列的,這樣當水平表面反射的偏振光透過太陽鏡時,它就會被擋住。只有與分子對齊的偏振光才能透過。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

等離子體中的磁場(一種從原子中剝離了一個或多個電子的氣體)也能引起偏振光的發射。電子以接近光速的速度繞磁力線旋轉,當它們旋轉時,就會發出稱為同步輻射的光。這種光在自旋方向上是偏振的,偏振的強度可以用來測量多種關於等離子體和磁場的現象。

黑洞周圍的物質形成了一個圓盤,我們可以看成一個光環圍繞著黑洞(黑洞遠側的圓盤是可見的,因為黑洞強烈的引力使它向上彎曲並朝向我們環繞)。來自光環的偏振光與光環本身是平行的,這表明磁場從黑洞向邊緣圍繞著光環(這種磁場被稱為極向場,我覺得很有趣)。

測量這種極化顯示黑洞附近的磁場相當強,實際上磁場有助於將物質保持在圓盤中的內邊緣,並暫時減緩部分物質落入黑洞。他們測量了物質落入黑洞的速率,大概是每年0。0003-0。002的太陽質量。這聽起來可能不算多,但事實上,這意味著在這個範圍的上限,黑洞每年要多消耗兩顆木星的物質。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

或者,你傾向這樣的描述:黑洞一天兩次吞入相當於地球的物質。

(突然驚慌並且尖叫著原地跑圈)

這是非常驚人的。他們還發現磁場的強度大約是1-30高斯,或者說大約是地球磁場強度的2到60倍。聽起來可能不算多,但它的作用範圍很廣,至少有幾千億公里。磁場的威力也非常巨大。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

武仙座A是一個相對較近的活動星系的例子,它的中心有一個黑洞,吞噬物質同時噴射出大量的輻射和物質。圖源:NASA, ESA, S。 Baum and C。 O‘Dea (RIT), R。 Perley and W。 Cotton (NRAO/AUI/NSF), and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

事實上,像這樣的黑洞可以把物質和能量的光束髮射到遠離星系盤的地方,天文學家稱之為噴流,這些噴流非常強大,可以延伸數十萬光年,遠遠大於整個星系。這種噴流的能量簡直讓人震驚;光是噴流物質的動能(它的運動能量和使它加速所需的能量)就可以是太陽發出能量的數十億倍!

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

我們知道這些是磁性現象,是由吸積盤的內部磁場扭曲成龍捲風一樣的漩渦引起的,但不清楚這是怎麼發生的。透過測量黑洞附近的磁場特性,天文學家將深入瞭解這些奇怪而可怕的強大特性。M87有這樣的噴流(由於相對論效應,我們只看到一個大致朝向我們的噴流),新的研究中也對它進行了分析。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

M87超大質量黑洞的放大圖片(從上到下):哈勃的影象呈現了全域性景觀;ALMA天文臺觀測顯示,整個噴流中都有偏振光;VLBA顯示了內部噴流中的偏振光,而事件視界望遠鏡觀測到了黑洞吸積盤中的偏振光。圖源:EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al。; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al。; J。 C。 Algaba, I。 Martí-Vidal

測量光的偏振是一個極其困難和艱苦的過程,這就是為什麼這些觀測結果現在才公佈的原因;分析這些資料所花的時間要比製作我們兩年前看到的影象長得多。但是這些資料中包含的資訊值得付出努力和等待。

對我來說,這個特殊黑洞的實際資料和機制,儘管非常酷,但並不是最有價值的。真正有價值的是我們知道了自己能做到這一點。這是一項非常困難且有開創性的工作,但它是可以做到的。還有更多的黑洞可以透過這樣的方式研究,包括人馬座A,這個銀河系中心400萬太陽質量的龐然大物。我們可能需要更大、功能更強的射電望遠鏡,還可能需要更強大的計算機處理能力。但現有的觀測表明,這是一個技術問題、一個能解決的工程問題,而不是物理問題。

黑洞是什麼樣?它為什麼有那麼大的能量?怎麼觀測?

我們可以窺視數百萬光年之外的物質,篩選特定種類的光,並利用這些資訊更好地瞭解一個65億倍太陽質量的黑洞對現實空間結構的影響。我認為這是非常值得知道的。

作者: Phil Plait

FY: Roci

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