銀河系中心黑洞影像 正式公布

2022-05-13 17:02:38 最後更新日期:2022-05-14 17:51:01
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 

280394710 10225219859736521 4094187068626997024 n銀河系中心,可能是整個銀河系中宇宙氣象最暴烈的區域,大量恒星圍著人馬座A*(*即射電源,後來證實是超巨大質量黑洞)區域以超乎尋常的高速公轉,最快一顆甚至達光速的8% (編號S4711)。另外還有大量的超新星爆炸遺骸及氣體雲,甚至包括之前由銀芯黑洞中噴發出來的近光速氣流。圖片由NASA提供,以X射線及紅外線影像組合而成。(圖片來源)

  

5月12日晚香港時間21:00, EHT (事件視界望遠鏡)團隊公開了銀河系中央人馬座A*超大質量黑洞的光學圖像,這次觀測結果的發表,不但代表 EHT 團隊的初期觀測目標(兩個巨大黑洞)計劃正式完成,同時也代表人類首次成功觀測離地球最近的超級黑洞的外貌,天文物理學上的意義可說非凡。

 

這幅圖其實和之前M87*(M87中央黑洞)的構形還是比較相似,都是中央黑色區域周圍有明亮光環。明亮光環中有部分是面向地球方向的環形吸積盤,其他的則是黑洞後面吸積盤的光在黑洞邊緣附近被扭曲而射向地環方向的光影。不過半人馬座A*黑洞吸積盤相對於太陽系軌道平面的傾角「似乎」比較大,可能達40度且「極區」斜向著地球,其實可想像成以下影像的土星。

STScI 01EVVF0JVZDMCXY88651YPCX7X由黑洞影像右上方的光斑外形判斷,銀芯黑洞及其吸積盤相對於地球觀測方的姿態,大概接近右側土星的形態,其他的光源則可能來自後方吸積盤的暉光被扭曲後射向地球。2020年時,兩名俄國物理學家即利用M87*的影像去計算及模擬黑洞如何扭曲吸積盤周圍的光(包括把事件視界的邊緣稍為放大),以及投射到地球後可能得出的影像。(圖片來自連結)

 

現有影像和一直以來的推算數據相當接近,中心的黑暗區大約也就2000多萬公里直徑,吸積盤直徑大約6300萬公里。人馬座A*和之前M87*的影像構形其實差不多,但不談距離了,似乎M87*吸積盤與黑洞的比例也更大,這更多是因為M87*到「現時」仍有大量物質可吸且維持噴射物質,半人馬座A*的物質相對不足,而且吸積盤中的氣體幾分鏡內就可完成公轉,晃動似乎也更頻密,成像困難,這也是原本2017年已連續觀測並集合數據後,還要在2020年再觀察一次,才有足夠的無線電波資料進行分析並繪製出模擬光學圖。

 This infographic details the locations of the participating telescopes of the Event Horizon Telescope (EHT) and the Global mm-VLBI Array (GMVA). Their goal is to image, for the very first time, the shadow of the event horizon of the supermassive black hole at the centre of the Milky Way, as well as to study the properties of the accretion and outflow around the Galactic Centre.現時EHT的射電望遠鏡成員達12個,但2020年拍攝的時候大約只有八個參與。(圖片來自維基百科)

 

雖然人類有眾多強力的光學望遠鏡,但因為銀芯於地球同樣處於銀河平面,中間隔著大量星際氣體雲,尤其是銀芯氣體更濃厚,光學事實上是無法觀測,就算是紅外線要穿透都有很大困難,故唯有使用受干擾更少的無線電波射電望遠鏡。事件視界望遠鏡(EHT)最初由7座射電望遠鏡組成,2017年聯網完成後觀測處女座M87星系黑洞及人馬座A*數個月,所有同時觀測的電波數據送交美國馬薩諸塞州的海史塔克天文台,交由超級電腦運算;至2020年另一個望遠鏡加入後,就再度對半人馬座A*進行觀測。在同步觀測的情況下,透過干涉效應,同一地方發射的兩束 / 多束電波可以組合起來並疊加相同的波幅的強度。由於電波的波長遠比可見光長,100米直徑的射電望遠鏡的分析度甚至可能還肉眼都不如,但距離上千公里的射電望遠鏡電波資料再經干涉效應疊加並進行分析,解像度就可接近大型光學望遠鏡了。然後將電波強弱對應成光度(能量愈高的區域,無線電愈強,自然也愈光),弄出黑洞的模擬光學影像出來。不過相關的資料有接近數個月的測量數據,非常龐大,就算動用超級電腦進行整合、疊加比對所有數據及將影像成像化,都花上近兩年時間才完成。

ES EfBa科學家先是初步將所收集的無線電波影像組成四張圖片,再將四張照片融合起來。至於為何影像時有不同,主要是由於黑洞的吸積盤旋轉及晃動,令其與地球視角的相對位置有變化,令光暈外形不同有關。(圖片來自連結)

 

黑洞雖然幾乎沒有訊息由事件視界之內流出,然而既然已測定已知質量,那至少有部分特徵是可以以數學計算的方式得出,再經觀測確認的。經由多年對人馬座A*周圍公轉的恒星的軌道和移動速度,可得出該「不可見物體」的質量約為410或431萬太陽質量(正負誤差約為60萬或38萬),事件視界直徑約2400萬至2600萬公里,大約就水星軌道平均直徑的1/4左右,相對之下,質量約66億倍太陽質量的M87中央黑洞,直徑大約4億公里,相當於土星和天王星的軌道直徑之間。不過由於半人馬座A*相對更接近,所以其可觀測成像也相對更大。

黑洞 動態近距觀測黑洞的想像圖,外圍可見一圈的物質吸積盤以及周圍因超強引力而扭曲的吸積盤暉光。由於吸積盤中高速旋轉並進入黑洞的物質過度集中,相互有著巨大的磨擦力,故發出高熱及強烈輻射,部分區域的密度與溫度甚至足夠發生核聚變。中央黑影區被稱為「事件事界」,這不是黑洞本體,而是……這一區的引力已經大到連光速都無法逃脫,所以已經全黑。事實上黑洞理論上是無限小的「奇點」,甚至形像點說,可當成一種「時空裂縫」,重力會變得無限大,時間空間及幾乎所有物理定律都會在這裏失效。(圖片來自連結)

 

事實上,相對於其他銀河的超大質量黑洞,人馬座A*算非常小的一員,然而它因為相對更接近地球,對人類而言更易觀測微觀變化及物質流入情況。加上人類現時對於銀芯的極端太空環境還是比較了解,也更容易觀察到人馬座A*與它們的互動,對於驗證一些與高能量或高引力有關的物理學定律實有不少的幫助。

發佈於 科學新知
By 2022-05-13

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