新图像证实：附近星系存在巨大黑洞
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一个熟悉的阴影隐约出现在附近星系M87中心的新图像中。它证实了该星系拥有一个引力天坑，其强度之大以至于光线无法逃脱，这是由一个质量为太阳65亿倍的黑洞产生的。但是，与之前事件视界望远镜(EHT)拍摄的图像相比，新图像揭示了阴影周围明亮环的微妙变化，这可能为黑洞周围的气体是如何搅动的提供线索。
2018年观测到的M87星系附近黑洞的新图像(右)发现了一个熟悉的阴影。图片来源：EHT COLLABORATION
研究团队成员、阿姆斯特丹大学Sera Markoff指出，新的细节激发了天文学家对EHT扩展的渴望，这将提供更清晰的遥远黑洞图像。
近日发表在《天文学与天体物理学》上的这张新照片，来自于观测活动一年后收集的数据，该观测活动于2019年公布了第一张黑洞照片。图像的暗中心与原始图像的大小相同，这证实了图像描绘了物理现实，而不是人工制品。未参与该研究的赫特福德大学天体物理学家Martin Hardcastle说，黑洞的质量在一年内不会有明显的增长，因此这个比较也支持了黑洞的大小仅由其质量决定的观点。
然而，在新图像中，围绕黑洞的环的最亮部分逆时针移动了约30°。这可能是由于围绕黑洞赤道旋转的物质盘随机搅动。这也可能与从黑洞极点发射的一个喷流的波动有关——这表明喷流没有与黑洞的自转轴对齐，而是像一个摆动的陀螺一样绕着黑洞前进。Markoff指出，唯一弄明白的方法就是不停地拍照。
尽管质量惊人，但像M87这样的黑洞其实是相对较小的，一个黑洞可以容纳整个太阳系。为了观测，EHT依赖于能够穿透黑洞周围气体和尘埃的无线电发射，通过将望远镜的数据结合在一起，产生足够清晰的图像，望远镜之间的距离尽可能大，构成了一个地球大小的天线。目前为止，EHT团队（大约300名研究人员，分布在世界各地）每年都要进行几周的观测，从南极到格陵兰岛，从夏威夷到法国，共使用多达12个天文台。
研究团队希望增加更多的望远镜，进一步提高图像的清晰度，使其能够看到更遥远星系中的黑洞。上个月，研究团队向美国国家科学基金会提交了下一代EHT (ngEHT)提案。该提案要求在怀俄明州、加那利群岛、智利和墨西哥四个地方建造9米的无线电天线，并在麻省理工学院的干草堆天文台增加一个37米的天线，这将完美填补现有空白。
ngEHT项目还将部署新的硬件和软件来加快数据处理速度。EHT创始主任、哈佛-史密松森天体物理中心Shep Doeleman说，这个团队可以在几天而不是几年的时间内得出结果。在空间和时间上提高分辨率将有助于研究人员解开天体物理学中最持久的谜团之一：黑洞的自旋、磁场和旋转的物质盘是如何共同将强大的粒子喷流发射到遥远太空中的。
理论学家还预测，在EHT图像中模糊的明亮环内，是由被困在尽可能接近黑洞边界或事件视界的轨道上的光子发出的更清晰的光圈。要放大这些所谓的光子环，需要一个远在地球之外的虚拟无线电天线。
哈佛-史密松森天体物理中心Michael Johnson表示:“我们正在接近地面所能做到的极限。”他正在领导一项名为黑洞探索者的任务提案，他的目标是在2025年提交给美国宇航局。
预计在10年内发射到地球同步轨道的航天器，带有的4米天线将把ngEHT的基线扩大到大约35000公里，足以看到光子环。“只用一颗卫星，我们就能找出这些轨道，”Markoff夫说。
理论预测有多个嵌套的光子环，而最内层光子环的大小和形状将有助于确定黑洞的质量、旋转，甚至是旋转盘的倾角。通过对具有不同生命历史的多个黑洞进行成像，研究人员可以进一步研究它们的自旋是如何受到合并或周围物质突然聚集的影响。
Doeleman说，在最极端的条件下，ngEHT及其轨道外支架也应该能够测试爱因斯坦的引力理论，即广义相对论。这将使我们在未来许多年里尽可能接近黑洞事件视界的边缘。
相关论文信息：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202347932
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