光子環:天體物理學家“發現黑洞周圍引力的一個基本特徵”

當天文學家在2019年揭示了人類歷史上第一張黑洞圖像時,他們相信更豐富的圖像和見解正在等待從數據中獲取。這張黑洞圖像描繪了一個黑暗的中心區域,周圍有一個火熱的物質光環向它墜落。模擬預測,應該有一個薄薄的、明亮的光環,隱藏在瀰漫的橙色光暈的強光後面,由黑洞的強引力甩到黑洞背面的光子所產生。

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天體物理學家Avery Broderick帶領一個研究小組,使用複雜的成像算法,基本上“重塑”了M87星系中心的超大質量黑洞的原始圖像。

“這就像我們關掉探照燈去看螢火蟲,”Broderick說,他是Perimeter理論物理研究所和滑鐵盧大學的副教員。“我們已經能夠做一些深刻的事情–發現黑洞周圍引力的一個基本特徵。”

共同作者、國立台灣師範大學助理教授浦鴻毅說,通過基本上”剝去”圖像的元素,”黑洞周圍的環境就可以清楚地顯示出來”。

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為了實現這一目標,研究小組在事件地平線望遠鏡(EHT)分析框架THEMIS中使用了一種新的成像算法,從M87黑洞的原始觀測中分離並提取出明顯的環狀特徵。他們還能夠探測到一個從黑洞向外噴射的強大噴流的明顯足跡。

科學家們的發現既證實了理論預測,也為探索這些神秘的天體提供了新的方法,這些天體被認為是位於大多數星系的中心。

長期以來,黑洞被認為是不可見的,直到科學家用事件視界望遠鏡(EHT)–一個橫跨全球的望遠鏡網絡。利用位於四大洲的八個天文台,所有這些天文台都指向天空中的同一個點,並以納秒級的時間聯繫在一起;EHT的研究人員在2017年觀察到了兩個黑洞。

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EHT合作在2019年首次揭開了M87的超大質量黑洞的面紗。然後在2022年,它揭示了位於我們銀河系中心的相對較小但動蕩不安的黑洞,稱為人馬座A*(或Sgr A*)。超大質量黑洞佔據了大多數星系的中心,在一個狹小的空間里容納了非同尋常的質量和能量。例如,M87黑洞的質量是地球的2萬億倍。

儘管科學家們在2019年公布的M87圖像是一個里程碑,但科學家們認為他們可以通過更聰明的工作來銳化圖像並獲得新的洞察力。他們應用新的軟件技術來重建2017年的原始數據,尋找理論和模型預測的潛伏在表面下的現象。新產生的圖像描繪了光子環,由一系列越來越尖銳的子環組成,然後團隊將這些子環堆疊起來以獲得完整的圖像。

“我們採取的方法包括利用我們對這些黑洞外觀的理論理解,為EHT數據建立一個定製的模型,”哈佛-史密森天體物理學中心的團隊成員 Dominic Pesce說。“這個模型將重建的圖像分解成我們最關心的兩塊,因此我們可以單獨研究這兩塊,而不是混合在一起。”

這一結果是可能的,因為EHT是一個“核心是計算的儀器”,Broderick說,他在Perimeter研究所擔任Delaney Family John Archibald Wheeler主席。“它對算法的依賴程度不亞於對鋼鐵的依賴程度。先進的算法發展使我們能夠探測圖像的關鍵特徵,同時以EHT的原始分辨率呈現其餘部分。”