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“与星共舞”的银心黑洞形成波动磁场

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好似巨型的“真空吸尘器”,黑洞吸掉了所有太靠近它的物体,但“超级吸尘器”只是形象的概念比喻,如果黑洞只是“贪得无厌”的吸食器,那么我们的宇宙早已走向死亡的边缘,地球和月球,包括地球上的人与动物早已销声匿迹了。星系中心的超大质量黑洞好像一部星系的发动机,如果它的运转不灵了,那么我们不能想象“坐地日行8万里”的“生死时速”,黑洞或“爱因斯坦的黑洞”、“霍金的黑洞”、“钱德拉塞卡的黑洞”等好似宇宙的陷阱,凡是掉进黑洞的物质都会转化为能量或向外爆发强大的宇宙辐射,光芒万丈的闪射超过了所有周围恒星加起来的亮度。旋转的黑洞能产生宇宙中最强烈的喷发,在太空形成一道成千上万光年的喷束,中心黑洞的“动力学原理”塑造了星系的整体布局。

“超级发动机”的黑洞受到了磁场力的驱动,天体物理学家很早研究过黑洞的超强磁场。天文学家现在第一次在非常靠近黑洞视界的外侧区域探测到了磁场信号,银河系中心黑洞的磁场显示了巨大的威力,科学家不相信妖魔鬼怪的奇闻和空洞的说教,他们相信实证是基本的科学方法。哈佛—斯密森尼天体物理中心的迈克尔·约翰逊解释说,磁场对黑洞物理学的研究十分重要,还没有一位科学家已经解决了黑洞视界外磁场的谜题,《科学》杂志刊发了研究团队的成果。

斯密森尼中心(CfA)和麻省理工(MIT)的“双料研究员”谢普·多尔曼在研究团队中担任主要角色,担任麻省理工“干草堆天文台”助理主任的多尔曼解释说,理论上预测了黑洞磁场的存在,但在研究团队的观测数据发布之前,在过去的数十年,还没有一位科学家的理论预测模型构建在坚实的观测数据上。事件视界望远镜 (EHT)带来了一场科学的盛宴,在天文学的“全球化时代”,EHT构成了射电望远镜的超级网络,所有的射电望远镜组网成相当于地球尺寸的超大望远镜,好似一个巨大的“天眼”,射电天文学的法则是用更大的望远镜提供更小的细节。EHT达到了目前最细节化的程度,实现了15微角秒的信息特征值(一个角秒相当于1/3600 度),15微角秒相当于我们在地球上看到了月球上的一个高尔夫球。

高分辨率对观测宇宙中最紧凑的天体——黑洞是必须的,银河系中心的黑洞被称为 Sgr A* 或人马座A*,银心黑洞的质量比太阳质量大了大约400万倍,黑洞的事件视界仅跨越了800万英里,小于水星的轨道半径,银心黑洞位于距离地球大约25000光年的地点,它的影像随着距离的增加变得越来越小,影像大小在25000光年的距离上相当于10微角秒,对天文学家来说已是“小得不能再小”。黑洞的强大引力效应弯曲了周围的光线,“爱因斯坦放大器”效应扩大了事件视界的影像,虚拟影像的尺寸比实际影像大,大约为50微角秒, 分辨率高的EHT能将50微角秒的视界影像“收入镜头”或纳入收视的范围。

事件视界望远镜使用了1.3 mm波段的射电观测技术,研究团队测量了光的极化现象。地球上的太阳光由于反射形成了线性的极化,光线极化也适用于太阳镜,通过太阳镜片的极化阻挡了光的直射,从而减少了刺眼的阳光。在Sgr A*的情形中,被极化的光在沿磁力线旋转的电子方向发射,光线因此能够直接追踪磁场的结构。Sgr A*被一个吸积盘结构包裹,靠近黑洞一些区域的磁场杂乱无序,“横七竖八”的磁环和磁漩涡好像相互缠绕的意大利面条,其它一些区域的磁场则井然有序,呈现很好的组织样式,黑洞的喷流也许从规则的磁场区域喷出。黑洞磁场在短周期尺度上发生了波动,波动周期仅为大约15分钟。

研究团队的观测成果再次证明,银河系中心的“星系发动机”发出了比之前的估计更为强大的动力,黑洞磁场永不停歇地“舞蹈”,直到星系“火焰”熄灭的时刻。为了建立横跨地球的超级望远镜,最好的方法是将全球的天文学家聚集起来,开展信息共享的协作和交流,EHT成功地开展了科学协作的实验,向科学大目标迈进了一步。EHT科学团队的主要目标是要解答天文学中一个悖论性的重要问题:黑洞为什么如此明亮?EHT射电网络以三个地理位置的天文设施为基地,不断增加世界各地“射电圆盘”的望远镜,EHT随观测网络的扩大获得了更多的数据和更高的分辨率,研究团队第一次直接获得了银河系中心黑洞视界的图像。

(编译:2015-12-10)

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