银河系中心黑洞与模型并不完全匹配,多波长观测助力理解黑洞

五年前,当事件视界望远镜(EHT)为银河系中心超大质量黑洞人马座A*的新图像收集数据时,包括NASA三个太空X射线望远镜在内的众多其它望远镜也向黑洞投出了一瞥,对来自黑洞的X射线、近红外、毫米波、无线电波等多波长光进行了观测。

5月12日,这些不同波长光的初步观测结果与人马座A*黑洞新图像一并公布。其中,天文学家们两次捕获到人马座A*黑洞的x射线耀斑。天文学家们将对这些多波长数据进一步分析,以更好地了解人马座A*黑洞——这个距离地球约27000光年、质量相当于400万个太阳的银河系中心黑洞与其周围环境相互作用的机制。

“如果新公布的黑洞图像向我们展示了一个黑洞飓风的风暴眼,那么这些多波长的数据能够揭示风暴眼数百甚至数千英里以外的风和雨,“加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的达里尔·哈格德(Daryl Haggard)说,哈林德是此次多波长观测活动的领导者之一。

“我们想知道,这场宇宙风暴是如何与它所在的银河系环境相互作用、甚至破坏它所在的环境。” 哈林德说。

2017年4月5日至11日期间,事件视界望远镜(EHT)国际合作小组通过全球6个地点的8台射电望远镜,在1.3mm的无线电波长上,使用甚长基线干涉法(Very Long-Baseline Interferometer ,简称“VLBI”)观测了人马座A*黑洞,通过对观测数据的汇编,天文学家们形成了此次黑洞的新图像。

与此同时,参与多波长观测的科学家们也用能够探测到不同波长光的设备对同一黑洞进行了观测。他们收集了来自NASA钱德拉X射线望远镜(Chandra X-ray Observatory)、核光谱望远镜阵列(NuSTAR)和尼尔·格雷斯·斯威夫特望远镜(Neil Gehrels Swift Observatory)的X射线数据;来自东亚甚长基线干涉仪(VLBI)阵列和全球3毫米甚长基线干涉仪(VLBI)阵列的无线电数据;以及来自欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜的红外数据。

根据5月12日发布在《天体物理学杂志通讯》(The Astrophysical Journal Letters)特刊上的相关论文,此次多波长观测结果显示,人马座A*黑洞大部分时间处于相对平静的状态。天文学家们探测到两次X射线耀斑:斯威夫特望远镜和钱德拉望远镜在2017年4月7日探测到了一次较暗的耀斑,钱德拉望远镜和NuSTAR望远镜在2017年4月11日探测到了一次较亮的耀斑。事件视界望远镜(EHT)并没有同时观测到此次较亮的耀斑,但是其ALMA(阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列望远镜)和SMA(亚毫米波阵列望远镜)在此次耀斑后,显示出毫米波强度和变化率显著增强。

捕捉人马座A*的X射线耀斑是此次多波长观测的一个重要目标。黑洞的耀斑被认为由磁场活动驱动,类似太阳上的耀斑,但其强度可能是太阳的几千万倍。这些耀斑大约每天都在EHT进行观测的区域内发生,而这个区域比人马座A *黑洞的事件视界略大。(所谓事件视界,是一种时空的曲隔界线,在黑洞周围的便是事件视界。根据广义相对论,在黑洞巨大的引力影响下,一切物质包括光线都不可能从事件视界内部逃脱。)

因此,在捕获耀斑的基础上,天文学家们希望通过多波长观测实现另一个目标,即了解人马座A*黑洞在更大的区域内正在发生的事情。虽然EHT图像结果显示了人马座A*和黑洞M87*之间有着惊人的相似之处,但天文学家们认为,在更大的区域范围内,人马座A*要复杂得多。

此外,此次多波长观测也将有助于科学家们进一步认识黑洞的吸积过程。长久以来,围绕黑洞的悬而未决的谜题之一,是它们如何以接近光速的速度收集、摄取或是排出围绕它们运行的物质,这个过程被称为“吸积”(accretion)。了解吸积的过程,对于认识整个宇宙中各种大小的行星、恒星和黑洞的形成和生长至关重要。

NASA的新闻稿,在此次多波长观测中,钱德拉X射线望远镜对人马座A *周围热气体进行了探测,这对于吸积研究至关重要,因为它能显示黑洞的引力从附近的恒星捕获了多少物质,以及有多少物质在设法接近事件视界。这些关键的信息目前无法由观测其它黑洞(包括此前的M87*黑洞)的望远镜得到。

荷兰阿姆斯特丹大学的塞拉·马尔科夫(Sera Markoff)是多波长观测的另一名协调员,他说:“天文学家们对基本问题几乎没有异议,即黑洞周围有物质旋转,其中一些物质永远落在事件视界之中。”马尔科夫说,“有了为人马座 A*收集的所有数据,我们可以比这幅基本图走得更远。”

在对多波长观测的数据结果进行分析时,参与合作的科学家们也将数据与最先进的计算机模型进行了比较,这些模型在建立时综合考虑了爱因斯坦的广义相对论、磁场效应、以及黑洞周围的物质在不同波长会产生多少辐射等因素。模型与测量数据的初步比较表明,黑洞周围的磁场极强,而且黑洞的视线与其自旋轴之间的角度很低——小于30度。

但日本国家天文台的羽田和弘(Kazuhiro Hada)表示:“已有的模型与数据没有完美匹配,不过现在我们有了更具体的信息来工作。”羽田和弘说,“我们拥有的数据越多,模型就越精准,最终对黑洞吸积过程的理解也会更准确。”

《天体物理学杂志通讯》特刊上的相关论文也指出,此次多波长观测收集的数据将为黑洞理论模型提供重要的约束条件,将和事件视界望远镜收集的数据一起,为改进人马座A*黑洞的研究模型提供丰富的机会。

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