首次！科学家成功捕获黑洞多波段“指纹”，有望检验爱因斯坦广义相对论

2019年4月，科学家们使用事件视界望远镜(EHT)发布了第一张M87星系黑洞的图像，最近又公布了它在偏振光下的“高清图”。然而，这两个非凡的成就仅仅是一系列科学故事的开始。

在观测研究中，科学家协调了全球19台望远镜（阵）对这个黑洞及其喷流辐射，开展了迄今频率覆盖最广的多波段同步观测，成功收集到2017年3月底至5月中旬的观测数据，并由此成功捕获了M87星系中央超大质量黑洞的“指纹”。这有望让人类对这个黑洞及其驱动的系统有前所未有的了解，并改进对爱因斯坦广义相对论的检验。

该研究发表在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上，该研究描述了对M87超大质量黑洞的大量观测分析数据。

日本国家天文台的Kazuhiro Hada、这项新研究的合作者表示：“为了从这张非凡的图像中获得最大的效果，我们需要通过对整个电磁波谱的观测，了解黑洞当时的一切行为。”

超大质量黑洞的巨大引力可以为粒子喷射提供能量，这些粒子以几乎光速的速度穿越遥远的距离。M87的喷流产生的光跨越了整个电磁波谱，从无线电波到可见光再到伽马射线。

每个黑洞的模式都不一样。识别这种模式，可以让我们对黑洞的性质有一个重要的认识——例如，它的旋转和能量输出——但这是一个挑战，因为模式会随着时间而改变。

科学家们用世界上最强大的地面和太空望远镜来协调实现多波段同步观测，收集光谱中的光，以弥补这种变化。这些观测，是迄今为止对有喷流的超大质量黑洞进行的最大的同步观测活动。

从2019年4月发布的那张黑洞图像开始，一段新的视频带着观众们穿越浏览了每台望远镜的数据。每一帧连续显示的数据都是以十为尺度，包括光的波长和物理大小。

它在来自全球其他射电望远镜阵列(SMA)的图像中移动，每一步都在视野中向外移动。在黑洞原始生图后，视野依次转向了能探测可见光、紫外线和X射线的望远镜(钱德拉)。每一帧屏幕拆分显示了这些同时覆盖相同面积天空的图像之间的比较情况。这个序列最后还展示了地面上的伽玛射线望远镜(VERITAS)和太空中的费米望远镜从这个黑洞及其喷射流探测到的结果。

每台望远镜都能提供有关M87中心这个65亿太阳质量黑洞的行为和影响的不同信息，该黑洞距离地球约5500万光年。

这些数据，是从一个由来自32个国家或地区近200个机构的760名科学家和工程师组成的团队收集的，使用的是由全球机构和机构资助的天文台。观测集中在2017年3月底至4月中旬。

第一个结果表明，M87超大质量黑洞周围物质所产生的光强度，是迄今为止观测到的最低的。这为观察黑洞的“阴影”创造了理想的条件，同时也能够将EHT附近的光，与离黑洞数万光年远的光隔离开来。

这些望远镜的数据和当前(以及未来)的EHT观测数据的结合，将使科学家们能够对一些最重要、最具挑战性的天体物理学研究领域进行重要的研究。

例如，科学家计划利用这些数据来改进爱因斯坦广义相对论的测试。目前，关于围绕黑洞旋转并被喷射出来的物质的不确定性，特别是决定发射光的性质，是这些广义相对论测试的主要障碍。

最新的研究涉及到的一个相关问题是被称为“宇宙射线”的高能粒子的起源，这种高能粒子不断地从外太空轰击地球。它们的能量比地球上最强大的加速器——大型强子对撞机——所能产生的能量要高出一百万倍。从黑洞中发射出来的巨大喷射流，就像今天的图像中显示的那样，被认为是最有可能产生最高能量的宇宙射线的来源，但关于细节还有很多问题，包括粒子加速的精确位置。解决这一争论的关键，是将其与2018年的观测结果以及本周收集的新数据进行比较。

科学家们们期待着未来几年EHT更令人惊叹的结果：“理解粒子加速度对于我们理解EHT图像和喷流的所有‘颜色’至关重要，”来自阿姆斯特丹大学的合作者Sera Markoff表示：“我们的结果将帮助我们计算所携带的能量，以及黑洞射流对环境的影响。”

这一新的数据合集的发布，恰逢事件视界望远镜(EHT)2021年的观测运行期。它去年的活动因新冠大流行而被取消，前一年的活动则因不可预见的技术问题而被暂停。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://phys.org/news/2021-04-multi-wavelength-reveal-impact-black-hole.html

论文来源：http://dx.doi.org/10.3847/2041-8213/abef71