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以色列科学家开发出黑洞测量术

据国外媒体报道,以色列特拉维夫大学的哈加伊内策(hagai netzer)教授连同中国科学院高能物理研究所的王建民、杜普和胡晨及巴黎天文台的大卫瓦尔斯-贾巴德(david valls-gabaud)博士一起开发出一种精确度高的测量方法,能测量几十亿光年的距离,而这种方法的核心就是利用星系中心的某些活跃黑洞,这意味着科学家们能进一步了解宇宙的过去,并估计宇宙形成初期的膨胀率。

据报道,该测量方法已在《物理评论快报》上发表,这种方法增加了黑洞附近物质发出的在被黑洞吸收之前的辐射情况这一要素。
伊内策教授解释,当物质被吸入黑洞后,它会加热并释放出大量辐射,相当于一个含有一万亿星体的巨大星系所产生能量的一千倍。因此,从很远的距离也可以观测到释放出的辐射量。

用宇宙辐射测量距离是天文学中的一种通用方法,但到目前为止还没有利用黑洞测量距离的先例。将黑洞边缘发出的能量和抵达地球的辐射量加在一起,说不定可以推断出地球到黑洞的距离及宇宙史上能量释放的时间。

要准确估计黑洞释放的辐射量,取决于黑洞的性质。研究人员表示,对于这项研究中所针对的黑洞,它吸积物质所释放出的辐射量实际上是与其质量成正比的。因此,长期以来建立的计量黑洞质量的方法可以用来估计其所释放的辐射量。

利用我们所处天体附近黑洞的已知特性,就可使这一理论得到有效论证。伊内策教授认为他的测量方法对现有的运用超新星的测量办法进行了补充。

科学家如何测量黑洞质量?

最新研究表明,环绕黑洞的旋转气体可能是测量遥远黑洞质量的关键因素。一直以来,科学家认为在所有大型星系中央都存在超大质量黑洞,后者质量一般是太阳质量的几百万甚至几十亿倍。

奇怪的是,这些黑洞的特性似乎与它们母星系的一系列特征有关,例如母星系的亮度,母星系内部恒星的旋转速度等。这表明星系与黑洞进化之间存在一种基本的关系。

“这实在是不可思议,同时也令人费解,因为这些基本的关系将黑洞和太阳系及其它星系世界连接起来。”研究主要作者、德国加尔兴欧洲南方天文台的天体物理学家提摩西戴维斯(timothy davis)这样说道,“为什么巨大星系与内部黑洞存在如此重要的联系,现在还是个未知数。”

解开这个神秘之谜的方法之一便是研究不同类型星系内部黑洞的质量。例如,早期椭圆星系“被认为经历了动荡的过去,发生了很多星系合并活动,在活动期间或可能同时产生了黑洞和星系。”戴维斯这样说道,“另一方面,类似我们银河系这样的旋转星系被认为具有较为平静的发展历史,猛烈的干扰活动相对较少。如果星系合并对黑洞的产生至关重要,那么旋转星系内部的黑洞与星系特性之间的关系可能有所不同。”

测量黑洞质量

关于如何推测出黑洞的质量,科学家提出好几种不同的方法,大多数都涉及观测恒星的运动或者环绕黑洞的炙热发光带电气体盘的运动。

黑洞的质量决定了它自身引力场的强度,继而决定了它吸引周围环绕物质的能力。然而,这些方法都依赖于能够观测到恒星和气体发出的光的望远镜。

最新的技术依赖于黑洞附近环绕的冷却气体云的动态性。通过比较黑洞存在或不存在时气体运动的模型,研究人员能够推测出黑洞的质量下限,也即要产生这些天文学家观测到的气体运动,黑洞的质量最少是多少。

分子气体观测能够克服观测恒星或电离气体时所要面临的分辨率极限问题,这将帮助研究人员更好的测量遥远黑洞的质量。

科学家将这个最新模型应用于星系ngc4526中央超大质量黑洞周围的气体,该星系位于5300万光年远的处女座。他们使用了位于美国加州的毫米波天文组合阵(carma)望远镜。

“我们利用carma阵列观测ngc4526,获得了0.25角分的分辨率,”戴维斯说道,“这相当于能够观测到10千米远的一枚欧元硬币!利用这些超高分辨率图片我们能够放大ngc4526的中央区域,观测环绕黑洞的旋转气体。”

科学家估计ngc4526中央黑洞的质量大约是太阳质量的4.5亿倍。“这是首次利用分子气体观测测量黑洞质量。”

这种最新方法利用了下一代科研仪器,例如阿塔卡马大型毫米/亚毫米波射电望远镜阵(alma),它只需要对星系进行不到5个小时的观测,就能帮助科学家确定上百个星系的中央黑洞的质量。

“利用位于加州的carma望远镜,我们对一个天体的观测时间至少需要100个小时。”戴维斯说道,“而利用最新的位于智利的alma望远镜,同样的测量只需要10分的观测!”

“接下来,我们将利用alma望远镜观测一个旋转星系样本,并确定该样本星系内部黑洞的质量。我们还将观测至少10个天体,它将帮助我们确定这些黑洞是否遵循早期星系的星系—黑洞质量关系。”科学家将这篇研究发表在《自然》期刊上。

美国科学家进行人类历史上首次黑洞半径测量

在天文学上,黑洞是太空中一种引力极强的天体,就连光也无法逃脱。有些黑洞比我们的太阳大数十亿倍,它们可能驻留在大多数星系的中心,这样的超大质量黑洞是如此强大,以致于在其边界的活动可以对它们的宿主星系产生波动。

由美国麻省理工学院赫斯塔克天文台(haystack observatory)天文学家领导的一个国际研究团队近日首次测量了在一个遥远星系中心的一个黑洞的半径。

科学家们将夏威夷、亚利桑那州和加利福尼亚州的无线电天线连在一起,设立了一个名为“视界望远镜”(event horizon telescope)的望远镜阵列,它比哈勃太空望远镜观测到的精细度强2000倍。

这些无线电天线指向距离银河系约5000万光年远的m87星系。m87上有一个比太阳大60亿倍的黑洞,该研究团队利用这个阵列观测到这个黑洞边界附近的发光物质。

据悉,黑洞的边界被称为“视界(event horizon)”。麻省理工学院赫斯塔克天文台的天文学家舍普多尔曼(shep doeleman)说:“一旦物体通过视界进入黑洞内部,它们就永远地消失了。”多尔曼和他的同事们将此项研究的报告发表在了最新一期的《科学》杂志上。

超大质量黑洞是爱因斯坦的引力论所预测的最极端的天体。多尔曼说:“在黑洞的边界,引力是如此强大,它将周围的物体都拉进去。然而,并非一切经过视界的物体都被吸进黑洞,比如由气体和尘埃积聚的“宇宙堵车”(cosmic traffic jam),创造了一种平面“煎饼”状物质,被称为“吸积盘”。

吸积盘以接近光速的速度环绕黑洞运行,持续地向黑洞“喂食”过热的物质。随着时间的推移,吸积盘可使黑洞与轨道物质保持在相同的方向上旋转。困在这个螺旋流的是磁场,在吸积盘的上方,磁场使热物质加速运行,由黑洞和吸积盘发出的高速射流喷出星系,扩散到几十万光年远。这些射流可以影响到许多星系的进程,包括恒星形成的速度。

一束射流的轨迹可能帮助科学家了解黑洞引力占主导力量所在区域的这些黑洞的动态。多尔曼认为,这种极端的环境是证实爱因斯坦广义相对论的最佳方式。他说:“爱因斯坦的理论已经在低引力场的情况下得到验证,比如在地球上和在太阳系上,但还没有在黑洞的边界得到证实。”

根据爱因斯坦的理论,一个黑洞的质量和其自旋决定物质在变得不稳定和落向视界之前会盘旋得有多紧密。由于m87星系的射流从这个最小的轨道喷出,天文学家可以通过仔细测量射流离开黑洞时的大小估计黑洞的自旋。

到目前为止,还没有望远镜具备这种观测所需的放大率。多尔曼说:“我们现在要问,爱因斯坦是正确的吗?在这个非常强大的引力场,我们可以利用他的理论预测特征。”

该研究团队利用一种名为“甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,简称为vlbi)”的技术,该技术使科学家能够观测到遥远星系非常精确的细节。

多尔曼和他的团队使用这项技术测量的结果显示,吸积盘最内层的轨道只有黑洞视界大小的5.5倍。根据物理原理,这表明吸积盘的旋转方向与黑洞的相同。

该研究团队计划扩大其望远镜阵列,将增加智利、欧洲、墨西哥、格陵兰岛和南极洲的无线电天线,旨在在未来获得更详细的黑洞图片。

美国马里兰大学的天文学教授克里斯托弗雷诺兹(istopher reynolds)说,该团队的研究结果首次提供了观测数据,这将有助于科学家了解一个黑洞的喷射行为。

雷诺兹说:“喷流的基本性质仍然很神秘。许多天体物理学家怀疑喷流的动力来自于黑洞的旋转,但现在,这些想法仍然完全在理论领域。这种测量方法是把这些想法放在实实在在的观测基础上的第一步。”

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