翻譯：遠山真理
校對：劉思慧
編排：蘇奕月
后臺：庫特莉亞芙卡 李子琦 徐⑨坤 胡永威
原文鏈接：https://alma-telescope.jp/news/m87mwl-202104
以下觀(guān)測成果發(fā)表于2021年4月14日的天體物理學(xué)報：Broadband Multi-wavelength Properties of M87 During the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
數據公開(kāi)于：https://doi.org/10.25739/mhh2-cw46
2017年4月，以事件視界望遠鏡EHT為首的地面望遠鏡以及涵蓋了無(wú)線(xiàn)電波，可見(jiàn)光/紫外，X射線(xiàn)，伽馬射線(xiàn)波段的眾多空間望遠鏡一起對橢圓星系M87中心的超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了觀(guān)測。綜合數據表明這個(gè)超大質(zhì)量黑洞處于非常穩定的狀態(tài)?？茖W(xué)家們通過(guò)比較觀(guān)測結果與理論模型的發(fā)現，伽馬射線(xiàn)的發(fā)射區域很可能與EHT所觀(guān)測到的環(huán)形無(wú)線(xiàn)電波發(fā)射區并不相同。這一結果表明從超大質(zhì)量黑洞中發(fā)射出的噴流可能具有極其復雜的構造，并為解明黑洞噴流的形成與多樣的電磁波發(fā)射機制提供了重要的線(xiàn)索。
圖片來(lái)源：事件視界望遠鏡EHT，阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)，歐洲甚長(cháng)陣列干涉儀網(wǎng)絡(luò )EVN，東亞甚長(cháng)陣列干涉儀網(wǎng)絡(luò )EAVN，超長(cháng)基線(xiàn)陣列VLBA (NRAO)，全球毫米波甚長(cháng)基線(xiàn)陣列GMVA，哈勃空間望遠鏡，尼爾·格雷爾斯雨燕天文臺，錢(qián)德拉X射線(xiàn)天文臺，核光譜望遠鏡陣列NuSTAR，費米伽馬射線(xiàn)太空望遠鏡，高能立體視野望遠鏡H.E.S.S，大氣伽馬射線(xiàn)契倫科夫望遠鏡MAGIC，高能射線(xiàn)望遠鏡陣列VERITAS，美國國家航天局NASA，歐洲空間局ESA
M87中心的超大質(zhì)量黑洞在不同波段上的觀(guān)測圖像，不同的望遠鏡所觀(guān)測的波段不同，根據分辨率觀(guān)測到的尺度也不同，其中左上角的ALMA觀(guān)測圖像與哈勃空間望遠鏡的可見(jiàn)光/紫外圖像與右上角錢(qián)德拉衛星觀(guān)測到的X射線(xiàn)圖像為同一尺度下的視角。
橢圓星系M87位于地球向處女座方向5500萬(wàn)光年處。其中心潛伏著(zhù)約有65億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的超大黑洞。雖然黑洞是一種扭曲其周?chē)臻g并吞噬光芒的存在，但其附近的超高能氣體也會(huì )形成細長(cháng)的噴流。M87正是第一個(gè)被發(fā)現有這種噴流的天體。然而形成這種噴流的機制仍然未被解明。
2017年4月，集結了地球上8臺無(wú)線(xiàn)電波望遠鏡的事件視界望遠鏡EHT成功拍攝到了M87超大質(zhì)量黑洞的影子。然而EHT的圖像并沒(méi)有顯示黑洞周?chē)鷳敶嬖诘膰娏?，黑洞周?chē)脑敿殬嬙煲廊徊坏枚?。另一方面，M87的黑洞屬于“活動(dòng)星系核”，從無(wú)線(xiàn)電波到伽馬射線(xiàn)波段的光度都會(huì )有強烈的變化。EHT拍攝時(shí)其活動(dòng)的狀態(tài)也是一個(gè)未解之謎。
實(shí)際上為了減少這種變光特性對結果的影響，2017年4月全世界許多其他的望遠鏡也同時(shí)對M87超大質(zhì)量黑洞進(jìn)行了觀(guān)測。東亞，歐洲，南北美，非洲，夏威夷島，加那利群島的無(wú)線(xiàn)電波望遠鏡，可見(jiàn)光望遠鏡，伽馬射線(xiàn)望遠鏡以及在地球軌道上的可見(jiàn)光/紫外線(xiàn)望遠鏡，X射線(xiàn)望遠鏡，伽馬射線(xiàn)望遠鏡等等共計19臺。通過(guò)對M87超大質(zhì)量黑洞的多波段同時(shí)觀(guān)測，人們得以從多個(gè)視角來(lái)分析其噴流的性質(zhì)，超大質(zhì)量黑洞噴流的觀(guān)測是天文學(xué)史上最為宏大的一項計劃。
該圖展示了各臺望遠鏡對M87超大質(zhì)量黑洞的觀(guān)測日期，均集中在2017年3月至5月。
該圖展示了阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列拍攝的M87黑洞噴流。
多臺望遠鏡同時(shí)觀(guān)測的結果展現了噴流從距離中心黑洞0.3光年處延展到5000光年處的的宏偉姿態(tài)，這也是史上第一次在如此廣的波段上拍攝出噴流的“彩色”圖像。
參與了本次觀(guān)測的中日韓三國利用東亞甚長(cháng)陣列干涉儀網(wǎng)絡(luò )（EAVN）對剛從黑洞中產(chǎn)生的噴流形狀與光度進(jìn)行了測定，領(lǐng)導了EAVN數據分析的綜合研究大學(xué)院博士生，日本國立天文臺水澤VLBI觀(guān)測所的崔玉竹博士表示：“為了解明天文學(xué)最大謎題之一的黑洞噴流，我們需要同時(shí)依賴(lài)于擅長(cháng)拍攝黑洞本體附近的事件視界望遠鏡與擅長(cháng)拍攝噴流的甚長(cháng)基線(xiàn)陣列望遠鏡，本次的共同觀(guān)測是這項研究的一個(gè)里程碑?！?/p>
日本國立天文臺水澤VLBI觀(guān)測所的秦和弘助教和EHT國際多波段科學(xué)合作組的負責人麥吉爾大學(xué)的達利爾?哈加德副教授表示：“現在全世界有著(zhù)很多迫不及待地想確認自己的理論與觀(guān)測是否相符的課題組，通過(guò)數據的公開(kāi)，我們期待著(zhù)研究者們能自由地使用這些數據并進(jìn)一步理解黑洞與噴流的關(guān)系?！?/p>
同合作組的負責人阿姆斯特丹大學(xué)的塞拉?馬爾可夫教授表示：“最大的謎題之一是：我們捕捉到的電磁波是如何產(chǎn)生的。EHT的照片與其他望遠鏡提供了豐富的數據，想必能為將黑洞的“影子”和噴流聯(lián)系起來(lái)的理論體系提供助力吧。
本次觀(guān)測的波長(cháng)段中，根據X射線(xiàn)，伽馬射線(xiàn)的高能電磁波輻射數據的分析，EHT進(jìn)行拍攝的2017年4月是該超大質(zhì)量黑洞活動(dòng)非常平穩的一個(gè)時(shí)期。當黑洞活躍的時(shí)候，包括無(wú)線(xiàn)電波在內的電磁波輻射都會(huì )有增強，但本次觀(guān)測到的輻射并不特別強。
研究組使用日本國立天文臺的超級計算機ATERUI Ⅱ進(jìn)行了數值模擬和理論研究，通過(guò)與無(wú)線(xiàn)電波和伽馬射線(xiàn)波段的數據比較，試圖來(lái)理解平穩期黑洞周?chē)哪??；诤?jiǎn)單的理論模型計算，至少在本次EHT觀(guān)測的時(shí)期，黑洞周?chē)臒o(wú)線(xiàn)電波發(fā)射區域與伽馬射線(xiàn)的發(fā)射區域是不相同的。在A(yíng)TERUI Ⅱ上進(jìn)行了數值模擬研究的東京大學(xué)宇宙線(xiàn)研究所的川島朋尚研究院表示：“迄今為止人們一直以為EHT所觀(guān)測到的無(wú)線(xiàn)電波與最高能的電磁波伽馬射線(xiàn)是從同一個(gè)位置發(fā)射出來(lái)的。這次多波段同時(shí)觀(guān)測的結果是對以往理論的一次沖擊，可以預見(jiàn)這個(gè)領(lǐng)域的理論與數值模擬研究即將會(huì )迎來(lái)一個(gè)急速發(fā)展的時(shí)期?！?/p>
另外，伽馬射線(xiàn)望遠鏡MAGIC對比無(wú)線(xiàn)電波能量高出了10個(gè)數量級的伽馬射線(xiàn)進(jìn)行了觀(guān)測，其著(zhù)眼于象征著(zhù)黑洞活動(dòng)性的耀斑。MAGIC觀(guān)測的領(lǐng)導人——東京大學(xué)宇宙線(xiàn)研究所的的丹尼爾?馬金副教授表示：“我們本次與EHT以及世界范圍內其他波段的望遠鏡共同合作，對M87進(jìn)行了高頻的監視觀(guān)測。2017年MAGIC的觀(guān)測氣象條件十分良好，總計獲取了27個(gè)小時(shí)的高質(zhì)量觀(guān)測數據。雖然在結果中并沒(méi)有發(fā)現在以往觀(guān)測中出現過(guò)的強烈耀斑，但獲得了關(guān)于平穩期的黑洞輻射的重要情報。
本次觀(guān)測成果也有助于了解飛向地球的高能宇宙射線(xiàn)的起源。宇宙射線(xiàn)的能量可以達到粒子加速器的100萬(wàn)倍。人們認為這種高能宇宙射線(xiàn)的起源很可能是超大質(zhì)量黑洞的噴流，但尚未有足夠的證據支持。本次的高能伽馬射線(xiàn)觀(guān)測便為此提供了線(xiàn)索，觀(guān)測表明至少在2017年的時(shí)間點(diǎn)，超大質(zhì)量黑洞的事件視界周?chē)](méi)有伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生，要推進(jìn)這項研究還需要在其他不同時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行觀(guān)測。
本次研究可以說(shuō)是究明黑洞噴流構造與成因的第一步。2018年EHT也進(jìn)行了觀(guān)測，2021年則加入了另外三臺望遠鏡，現在正是在進(jìn)行觀(guān)測的時(shí)期。通過(guò)比較不同時(shí)期的觀(guān)測數據，黑洞活動(dòng)性的差異和與此相關(guān)的噴流構造，黑洞周?chē)镔|(zhì)的性質(zhì)，磁場(chǎng)構造等與黑洞相關(guān)的謎題可以期待在未來(lái)將被逐一解開(kāi)。
EHT國際多波段科學(xué)研究組的負責人之一，同時(shí)也統括了該研究全體的日本國立天文臺水澤VLBI觀(guān)測所的秦和弘助教表示：“這項研究是EHT和全世界各波長(cháng)望遠鏡的一次團結合作，總計32個(gè)國家與760余名研究者的共同成果。我們今后也會(huì )繼續與EHT進(jìn)行同時(shí)的協(xié)同觀(guān)測，來(lái)解明超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)性與噴流之謎。"
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