黑洞射流清晰图像首次发布，验证广义相对论黑洞“子环”假说
本文来自微信公众号：新智元（ID：AI_era），作者：啸林，题图来自IC photo
还记得去年发布的第一张黑洞照片吗？
第一张黑洞照片：距离地球5500万光年的Messier 87星系中心的巨大黑洞。是的，听起来有点像奥特曼的快乐老家：M78星云。
拍摄这张照片的数百名研究人员分享了基础物理学突破奖的300万美元奖金。他们没有坐享功劳，而是在整整一年后的现在发布了黑洞射流的新图像。
科学家拍摄发射高能喷射黑洞的详细图像
天文学家团队对另一个黑洞又有了突破性观测结果：获得了一张由超大质量黑洞驱动的巨大等离子体射流的图像。这张照片拥有前所未有的丰富细节。
研究小组说，图像左侧的明亮斑点应该是黑洞周围盘旋的气体和尘埃盘，等离子体射流由强度较低的红色特征流勾勒出来。
专家说，这种喷流是一种称为的结构。
典型的耀变体——蝎虎座BL型天体PKS 2155-304的光学图像
耀变体的物质喷射方向大概正好指向地球，就像手电筒的光束一样。
耀变体是活动星系核中最亮的一种，它由类星体形成，类星体是一类活跃地吸收物质的超大质量黑洞。它们在旋转时会逐渐卷起磁场，从而导致黑洞周围的物质被朝两端射出，形成强大的γ射线相对论喷流，其亮度足以跨越宇宙被我们观测到。
“绕着黑洞的许多物质注定要穿越事件视界，再也不会返回，但是其中一些可以沿着穿过黑洞的强大磁力线发射，这就是射流的本质。”该研究的合著者，伦敦大学学院的Ziri Younsi博士说。
他补充说：“黑洞不仅吞噬了很多物质，而且还吐出了很多东西，因为它们被高度磁化并且旋转得如此迅速。”
研究小组说，至关重要的是，该图像是超大质量黑洞周围喷流的最高分辨率，这意味着研究人员可以首次查看喷流底部附近发生的情况。特写图像显示了黑洞附近的斑点，该斑点似乎稍微偏离了射流其余部分的轴线。Younsi说：“它被抵消了好几度。”
这意味着射流的底部可能存在某种“扭结”，或者是因围绕射流而扭曲的物质。斑点也可能是围绕和进入黑洞的气体和尘埃形成的圆盘边缘的一部分。
但仍有些问题悬而未决，比如，射流的等离子体究竟由什么构成？射流与黑洞如何耦合？
该图像发表在《天文学与天体物理学》（ Astronomy & Astrophysics）杂志上，由“事件地平线望远镜”计划（Event Horizon Telescope，简称EHT）拍摄。这个庞大的研究计划该团队由哈佛大学和史密森尼大学天体物理学中心的科学家领导，包含8台射电望远镜，以及遍布全球的一大批研究人员。
研究小组说，这个黑洞是类星体3C 279的一部分，比银河系中心的黑洞大200倍。这个类星体位于处女座星系中，距我们50亿光年远。
Younsi说： “通常在这个距离上我们看不到任何东西，因为到了我们这儿的时候，光线一般已经红移太多了。”
“但是由于这次几乎是直接朝着我们喷射的，所以所有方面的辐射都被增强了，它看起来比实际要亮得多，因此我们能够检测到它。”
射流指向地球，这也解释了另一个有趣的问题——为什么射流的行进速度（看起来）比光速快15-20倍。
Younsi说：“这是一种投影效果。”他指出，这架喷气飞机实际上传播的速度约为光速的0.995倍。
这项新作品并不是“事件地平线望远镜”计划发布的第一张令人惊叹的图像：去年，该团队发布了黑洞的第一张图像，揭示了黑洞炽热的气体和尘埃光环。
但是Younsi说，新的图像对物理学家来说更加令人兴奋。他说：“这是我们第一次真正看到射流与黑洞和（气体和尘埃）吸积盘的连接。” “它将使我们可以开始回答有关黑洞如何为射流供能，黑洞如何进食，黑洞如何生长的问题。”
Younsi说，新图像标志着即将到来的一系列发现。
M87黑洞：“指环王”
这项研究的结果发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。研究人员检测了 M87的图像，特别是其中占主导地位的黄金环。
他们指出，正如广义相对论理论所预测的那样，这个环应该包含一个由较小环组成的子结构，而 EHT无法解析这个子结构。在这个环的子结构中，有关于这个黑洞的信息。
爱因斯坦的广义相对论用来预测黑洞的性质，他说在这个亮环内应该有一个“光子环”，它由一系列类似的子环组成。
哈佛天体物理学中心的Michael Johnson解释说：“黑洞的图像实际上包含一系列嵌套的环。” “每个相继的环都具有相同的直径，但变得越来越尖锐，因为它的光在到达观察者之前绕黑洞绕了多次。
使用当前的EHT图像，我们仅仅只是瞥见了任何黑洞图像中应该出现的全部复杂性。
黑洞的图像在由黑洞投射的“阴影”周围具有明亮的发射环。该环由一堆越来越尖的子环组成，这些子环与光子到达观察者之前围绕黑洞的轨道数相对应
由于黑洞周围的光子也无法逃脱它的引力，所以黑洞在围绕它的气体和灰尘的明亮发射上投射了阴影，并逐渐落到其表面上。在此阴影周围是一圈光子环，该光子环是由黑洞附近事件视界之外的强大重力作用产生的。
下面这个动画显示了如何从这些子环以及形成该图像的光子轨迹中形成黑洞图像。也许，关于这些环的一个更令人震惊的启示是，广义相对论告诉我们，每个环都是由捕获的光子组成的。
可以科学上网的朋友可以移步这个油管视频：https://youtu.be/I4LolZ27l3E
结合理论与实验：黑洞物理学迎来高光时刻
“来自不同领域的专家汇聚一堂，使我们能够将对光子环的理论理解与观察的可能性真正联系起来，”伊利诺伊大学香槟分校物理学研究生George Wong说。
Wong的软件用于生成模拟的黑洞图像，比以前计算的分辨率更高。
在EHT的组合功率上增加另一个望远镜可以使天文学家分辨单个环。
EHT去年四月拍摄的第一张黑洞图像和刚刚披露的黑洞射流新图像，其最令人惊喜之处也许在于，它们改变了黑洞研究的方式：黑洞研究从此从纯粹的理论领域转向依赖实验科学。
人类对黑洞的思考，终于从抽象想象和理论推演，进化到拿望远镜观测的时代了。
最后奉上视频，带你看看黑洞图像如何验证爱因斯坦“子环”假说：
参考链接：
1. 科学家捕获发射高能喷射黑洞的图像
2. 太空研究突破：首次获得黑洞照片
3. 黑洞图像的未来是光明的
本文来自微信公众号：新智元（ID：AI_era），作者：啸林
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