韦伯和视界望远镜将揭示银河系的超大质量黑洞


一个巨大的热气体漩涡发出红外光,标志着我们银河系中心超大质量黑洞的大致位置。这张多波长合成图像包含了由美国宇航局的哈勃太空望远镜捕捉到的近红外光,是2009年发布的银河系中心区域最清晰的红外图像。紧靠黑洞周围的区域,即人马座A*的动态闪烁耀斑,使得事件视界望远镜(EHT)合作创造更近、更详细的图像的努力变得更加复杂。虽然黑洞本身不发光,因此无法被望远镜探测到,但EHT团队正在努力通过获得直接围绕它的炽热气体和尘埃的清晰图像来捕捉它。美国宇航局即将于2021年12月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将结合哈勃的分辨率和更多的红外线探测。在其科学运作的第一年,韦伯将与EHT一起观测人马座A*,并将其红外数据与EHT的无线电数据进行比较,使其更容易确定明亮耀斑何时出现,产生一个更清晰的区域整体图像。在这张合成图像中,颜色代表不同波长的光。哈勃的近红外观测结果显示为黄色,显示了数十万颗恒星、恒星温床和加热气体。美国宇航局斯皮策太空望远镜的深红外观测图以红色显示,揭示了更多的恒星和气体云。美国宇航局钱德拉x射线天文台探测到的光线显示为蓝色和紫色,这表明恒星爆炸和超大质量黑洞的喷发使气体加热到数百万度。 Credits: NASA, ESA, SSC, CXC, STScI

在地球上孤立的山顶上,科学家们等待着今晚是夜晚的消息:地面和太空中数十台望远镜之间的复杂协调已经完成,天气晴朗,技术问题已经解决——隐喻性的恒星已经对齐。

是时候去看看银河系中心的超大质量黑洞了。

天文学家们称之为“安排数独”的活动每天都会发生在活动地平线望远镜(EHT)合作的观测活动中,他们很快就会有一个新的参与者参与其中;美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将加入这项工作。在韦伯的第一次观测中,天文学家将利用其红外成像能力解决银河系黑洞人马座A*(Sgr A*;星号发音为“恒星”)所带来的一些独特而持久的挑战。

2017年,EHT利用地球上8个射电望远镜设施的综合成像能力,首次捕捉到了M87星系中紧邻超大质量黑洞的区域的历史性景象。Sgr A*比M87的黑洞更近,但更暗,其周围物质中独特的闪烁耀斑每小时都会改变光的模式,这给天文学家带来了挑战。

天文学家法哈德·尤塞夫·扎德(Farhad Yusef Zadeh)说:“我们银河系的超大质量黑洞是已知的唯一一个发生这种耀斑的黑洞,虽然这使得拍摄该区域的图像非常困难,但它也使人马座成为一个*更加科学有趣的星座。”,西北大学教授和Webb项目的主要研究者,观察Sgr a*。

这些耀斑是由于黑洞周围的粒子短暂而强烈地加速到更高的能量,并伴随着相应的光发射。使用Webb观测Sgr A*的一个巨大优势是能够从望远镜在月球以外的位置同时连续捕获两个红外波长(F210M和F480M)的数据。韦伯将拥有一个不间断的视野,观察耀斑和平静的循环,EHT团队可以利用他们自己的数据作为参考,从而形成一个更清晰的图像。

引起Sgr A*耀斑的来源或机制存在着激烈的争论。关于Sgr A*耀斑如何开始、峰值和消散的答案可能对未来的黑洞研究、粒子和等离子体物理,甚至太阳耀斑都有深远的影响。

“黑洞很酷,”韦伯Sgr A*研究小组的天文学家、EHT科学委员会现任副主席Sera Markoff说。“世界各地的科学家和航天机构之所以如此努力地研究黑洞,是因为它们是已知宇宙中最极端的环境,我们可以在那里对我们的基本理论,如广义相对论,进行实际检验。”

作为广义相对论的一部分,阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)预测了黑洞。从某种意义上说,黑洞的名字暗示着相反的东西——黑洞不是空间中的空洞,而是已知物质中密度最大、密度最大的区域。黑洞的引力场非常强,它会扭曲自身周围的空间结构,任何靠近它的物质都会永远束缚在那里,以及该物质发出的任何光。这就是为什么黑洞看起来是“黑色的”。任何被望远镜探测到的光实际上都不是来自黑洞本身,而是来自它周围的区域。科学家们把光的最终内部边缘称为视界,这就是EHT合作的名字。

M87的EHT图像是爱因斯坦黑洞预测正确的第一个直接视觉证据。黑洞仍然是爱因斯坦理论的试验场,科学家们希望EHT、Webb、X射线和其他天文台对Sgr a*进行的精心安排的多波长观测将缩小广义相对论计算的误差范围,或者可能指向我们目前不了解的物理新领域。

尽管新的理解和/或新物理学的前景令人兴奋,马尔科夫和扎德都指出,这只是一个开始。“这是一个过程。一开始我们可能会有更多的问题而不是答案,”Markoff说。Sgr A*研究团队计划在未来几年申请更多时间与韦伯合作,见证更多的耀斑事件,建立知识库,从看似随机的耀斑中确定模式。从研究Sgr A*中获得的知识将应用于其他黑洞,以了解其本质的基础是什么,而不是一个黑洞的独特之处。

因此,紧张的数独日程安排将持续一段时间,但天文学家同意这是值得的努力。“这是人类能做的最高尚的事情,寻找真理,”扎德说。“这是我们的天性。我们想知道宇宙是如何运作的,因为我们是宇宙的一部分。黑洞可能为这些重大问题提供线索。”

美国国家航空航天局的韦伯望远镜将在未来十年作为首要的空间科学天文台,探索宇宙历史的每个阶段——从太阳系内部到早期宇宙中最远的可观测星系,以及介于这两者之间的一切。韦伯将揭示新的和意想不到的发现,并帮助人类理解宇宙的起源和我们在其中的位置。韦伯是一个国际项目,由美国宇航局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导。

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