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第10章 m87黑洞(第2页)

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史瓦西的解最初被称为“冻星”

(frozenstar)——因为当天体坍缩到史瓦西半径时,时间会“冻结”

(引力时间膨胀效应)。

直到1967年,美国物理学家约翰·惠勒(johnwheeler)提出“黑洞”

(bckhole)这个名字,才广为流传。

二、87星系:宇宙中的“喷流工厂”

87黑洞所在的87星系,是理解黑洞的关键——它的“喷流”

(jet)早在1918年就被观测到,是人类最早发现的“活动星系核”

(activegacticnucle,agn)之一。

2187的基本画像:椭圆星系的“巨无霸”

87位于室女座星系团(virgocster)的中心,是一个椭圆星系(e0型,几乎没有自转的扁平星系)。

它的基本参数:距离地球:约5500万光年;直径:约12万光年(比银河系大);质量:约65x1012倍太阳质量(银河系的20倍);核心特征:有一个明亮的射电核和长达5000光年的喷流。

22喷流的秘密:黑洞的“能量引擎”

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87的喷流是从星系中心高速喷出的等离子体流,速度接近光速(099c)。

它的能量来源,正是黑洞的吸积盘(aretiondisk):星系中的气体、恒星、尘埃被黑洞的引力吸引,形成一个高速旋转的吸积盘;吸积盘内的物质摩擦产生高温(可达101?k),释放出强烈的电磁辐射;部分物质会沿着黑洞的自转轴方向“喷出”

,形成喷流——这是因为黑洞的自旋产生了相对论性喷流(retivisticjet),将粒子加速到接近光速。

23早期观测:从射电到x射线的“黑洞线索”

87的喷流早在1918年就被美国天文学家希伯·柯蒂斯(hebercurtis)用望远镜观测到,但当时没人知道它来自黑洞。

直到20世纪60年代:射电望远镜发现,喷流的辐射来自同步辐射(synchrotronradiation)——高速电子在磁场中旋转产生的辐射,这说明喷流里有大量带电粒子;x射线望远镜发现,星系核心的亮度远超普通恒星,说明有一个“致密天体”

在提供能量。

三、百年追寻:从“候选体”

到“直接成像”

尽管87的黑洞线索早已有之,但要“看见”

它的事件视界,需要解决两个关键问题:分辨率:黑洞的事件视界太小,必须用足够高的分辨率才能观测到;观测手段:需要一种能穿透尘埃、捕捉黑洞周围辐射的技术。

31分辨率的挑战:为什么要用全球望远镜?黑洞的事件视界角大小(angursize)非常小——87黑洞的史瓦西半径约为19x1013公里(约2光年),距离地球5500万光年,所以角大小约为:theta=frac{r_s}{d}=frac{19x10{13}}{55x10{12}x946x10{12}}≈4x10{-10}text{弧度}≈40text{微角秒}(注:1弧度=角秒,1角秒=10?微角秒)这个角大小相当于在月球上看一个乒乓球——要达到这样的分辨率,传统望远镜根本不可能。

必须用甚长基线干涉术(vlbi):将全球多个射电望远镜连起来,形成一个虚拟望远镜,口径等于望远镜之间的距离(地球直径)。

32事件视界望远镜(eht):地球大小的“虚拟望远镜”

2009年,事件视界望远镜(eventhorizontelespe,eht)项目启动,目标是拍摄87黑洞和银河系中心黑洞(sgra)的图像。

eht的组成:8个射电望远镜:分布在夏威夷(jt、sa)、亚利桑那(st)、墨西哥(lt)、智利(ala)、西班牙(ira)、南极(spt);分辨率:相当于地球直径的望远镜,分辨率约为20微角秒——刚好能分辨87黑洞的事件视界;观测波段:13毫米(射电波段)——这个波段能穿透尘埃,捕捉吸积盘的辐射。

33观测与数据处理:两年的“拼图游戏”

2017年4月,eht进行了5天的同步观测,每个望远镜收集了约1pb的数据(相当于100万部电影)。

数据处理的过程:校准:调整每个望远镜的时间同步(误差小于1纳秒),消除大气扰动的影响;成像:用合成孔径成像算法(syntheticapertureiagg),将8个望远镜的数据拼接成一个“虚拟图像”

;验证:用广义相对论模型模拟黑洞的图像,与观测数据对比,确保结果的可靠性。

直到2019年,团队才完成了所有处理,发布了第一张黑洞图像。

四、图像解读:黑色阴影与亮环的物理密码87黑洞的图像里,黑色的中心是事件视界的阴影,周围的橙红色亮环是吸积盘的高温气体发出的光。

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