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May. 01 2023

首次同時拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流

  • M87噴流和黑洞陰影在毫米波段的VLBI影像,由加入了ALMA和格陵蘭望遠鏡的GMVA取得。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023)

    M87噴流和黑洞陰影在毫米波段的VLBI影像,由加入了ALMA和格陵蘭望遠鏡的GMVA取得。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023)

  • 不同波長觀測的M87黑洞陰影影像,左:GMVA(3.5毫米),右:EHT(1.3毫米)。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023); the EHT Collaboration; composition by F. Tazaki

    不同波長觀測的M87黑洞陰影影像,左:GMVA(3.5毫米),右:EHT(1.3毫米)。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023); the EHT Collaboration; composition by F. Tazaki

  • 參與2018年GMVA+GLT+ALMA聯合觀測的電波望遠鏡分布圖。圖片來源:Kazunori Akiyama (MIT/HO)

    參與2018年GMVA+GLT+ALMA聯合觀測的電波望遠鏡分布圖。圖片來源:Kazunori Akiyama (MIT/HO)

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由中研院與國際團隊合作使用新的毫米波段觀測,成功拍攝到M87黑洞吸積流和強大噴流,首度證實星系中心超大質量黑洞附近的吸積流與噴流起源間的聯繫。

 

M87噴流和黑洞陰影在毫米波段的VLBI影像,由加入了ALMA和格陵蘭望遠鏡的GMVA取得。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023)

M87噴流和黑洞陰影在毫米波段的VLBI影像,由加入了ALMA和格陵蘭望遠鏡的GMVA取得。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023)

為了觀測黑洞,需要建構一個跟地球一樣大的電波望遠鏡陣列,為了達成這個目標,天文學家運用特長基線干涉法技術,連結分布全球各地的望遠鏡,讓這些千里外的望遠鏡形成一個和地球一樣大的虛擬望遠鏡,其解析力更是遠超過任何單一望遠鏡。

目前有兩個國際合作計畫串聯起全球電波望遠鏡,分別是「事件視界望遠鏡 」(Event Horizon Telescope,EHT)及「全球毫米波特長基線陣列」(Global mm-VLBI Array,GMVA)。兩者以不同的波長頻段觀測,EHT用1.3毫米波長觀測取得黑洞的陰影影像;而GMVA則使用3.5毫米波長觀測,重點在於捕捉黑洞附近的吸積和噴流性質。其中EHT已於2019年及2022年公布人類史上第1張M87黑洞影像及第2張銀河系中心超大質量黑洞人馬座A星影像。

此次取得的黑洞吸積流及噴流成像,是由2018年阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列望遠鏡(ALMA)與格陵蘭望遠鏡(GLT)加入GMVA全球連線觀測的成果。這二座望遠鏡的加入,提高了整體的分辨率和靈敏度,首度能在3.5毫米波長下對M87星系中心的環狀結構成像,強化了GMVA計畫的成像能力。GMVA測得環的直徑為64微角秒,相當於太空人在月球上回望地球時看到的自拍環形補光燈的大小(約13公分),比EHT用1.3毫米波長觀測到的直徑大50%,與該區域的相對論性電漿輻射相符。

不同波長觀測的M87黑洞陰影影像,左:GMVA(3.5毫米),右:EHT(1.3毫米)。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023); the EHT Collaboration; composition by F. Tazaki

不同波長觀測的M87黑洞陰影影像,左:GMVA(3.5毫米),右:EHT(1.3毫米)。圖片來源:Lu, Asada, et al. (2023); the EHT Collaboration; composition by F. Tazaki

研究人員表示這次用3.5毫米波長觀測M87黑洞,發現環變大變厚,這說明新的影像中看到落入黑洞的物質產生額外的輻射。M87黑洞周圍發出的光是由高能電子和磁場間的相互作用產生,這種現象稱為同步輻射。在3.5毫米波長的觀測下,將揭示這些電子的位置和能量的更多細節。這個黑洞不是很餓!它以低速率消耗物質,僅將一小部分物質轉化為輻射。從數值模擬的理論模型中,確定了影像中的環狀結構與吸積流有關。觀測資料發現靠近黑洞內部區域發出的輻射比預期的要寬,這可能意味著不僅有氣體落入其中,也有風吹出來,導致黑洞周圍出現紊流和混沌。

對M87黑洞的探索並未結束,未來隨著強大望遠鏡的加入,毫米波的觀測將探索M87黑洞隨時間的演化,並提供黑洞在電波波段的多種影像,探索物質如何吸積到黑洞以及如何從黑洞附近噴發出來。相關研究成果發表於《自然》(Nature)期刊上。

參與2018年GMVA+GLT+ALMA聯合觀測的電波望遠鏡分布圖。圖片來源:Kazunori Akiyama (MIT/HO)

參與2018年GMVA+GLT+ALMA聯合觀測的電波望遠鏡分布圖。圖片來源:Kazunori Akiyama (MIT/HO)

資料來源:中研院

本文轉載自臺北市立天文科學教育館網站。

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