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通过黑洞的摇摆环,检验爱因斯坦的相对论!

科学家们找到了研究黑洞近域的全新方式

科学家们正从首张黑洞成像了解到重要的新情况,其中除了与爱因斯坦理论有关的一致行为,还以一个十分不稳定的摇摆环向我们展示了意想不到的新面貌。

似乎是很久之前的事了,在2019年4月我们终于看到了一直以来不可视的黑洞,当这张让人觉得不可思议的超大质量黑洞图像发布时我们终于得以一饱眼福。当然,我们无法真实地“看见”黑洞,因为哪怕一个六岁的小孩子都会乐于告诉你黑洞有吸走光的超能力。而这张图片所展示的是一个不对称环,就像一个黑洞的影子,由超热气体旋流围绕着黑洞的事件穹界形成的,而在黑洞的边界光无法逃逸。

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这个典型的黑洞是太阳的6.5倍,坐落在距离我们5500万光年的梅西耶87星系中,简称M87。这个黑洞,记为M87*,由视界望远镜摄于2019年4月,是一个历史性的科学成就。这个图像提供了一个M87*的静态视图,但本周发表在《天体物理学杂志》上的最新研究表明,这是一个我们了解黑洞及其周围空间是如何随时间变化的好机会。

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图展示了测量环直径的一致性。

拥有EHT项目的天文学家在2017年的四月对M87*进行了为期一周的观测,一周时间并不足以人们去跟踪系统的动态方面,像它们的形状变化。然而科学家通过研究EHT在2009年的数据档案已经完成了这个研究。

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“我们想要看到黑洞十年的变化历程,没有什么能替代十年以来的数据。”马切克·维尔格斯说,他是哈佛和史密森大学天体物理中心的天文学家,也是这篇新论文的主要作者。

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EHT是一个大型望远镜阵列,由战略性摆在全球不同地方的望远镜组成。该系统在2017年实现了全功率运行,并在五个不同的位置安装了天线,正如马克思·普朗克射电天文学研究所发布的新闻稿所描述的那样,它们组成了一个“地球大小的无线电天线”。重要的是,EHT阵列的早期原型在系统建造过程中收集了重要的天文信息。特别是在2009年到2012年间在三个不同的位置观察到巨大的黑洞,2013年更是从四个位置中看到了黑洞。

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“即便这样的观察到的数据不足以生成图像,也足够去建立简单的模型了。”作者在新的论文中写到。

一种统计建模技术,加上一些合理的推测,能够让研究人员们绘制出阶段内系统随时间变化的图表,这里包括了EHT一直持续到2019年观察和收集到的数据。

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正如模型所展示的,这个物体在过去的十年里整体形状保持不变,这对爱因斯坦的粉丝来说是个好消息。这个有固定直径的新月形阴影的黑洞与他著名的广义相对论的预测一致。

“在该研究里,我们发现一般形态或不对称环很有可能持续存在很多年,”秋山和津哈佛和史密森学会发布的新闻稿中写道,他是MIT的科学家和该论文的合著者,“这是一个关于天体物理系统解释的重要证实,【多项观察结果】的一致性让我们对研究M87*的性质和阴影来源有了更多的信心。”

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撇开这些恒定维持的东西不谈,天文学家发现到了重要的差异,不对称环出现很明显的摇摆。不对称环的形状在过去十年内不曾改变过,但现在发生了旋转。

“确切地说,我们在这里看到了很多的变化。”威尔格斯说。

托马斯克里奇鲍姆是一个MPIfRA的天文学家,也是这篇文章的合著者,他说:“数据分析表明,环的取向和精细结构随时间而变化。”这是很重要的,因为它提供了一个关于“围绕着整个事件视界的吸积流动力学结构的第一印象”他在马克斯普朗克新闻稿中解释说。

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对于M87*而言,物质流入黑洞的速率似乎是可变的。正如作者推测的那样,由于磁场作用,环中发光的气体处于高度紊流状态,这也是导致黑洞随时间推移出现变化的原因。这是一个让人兴奋的发现,因为“摆动的动力学似乎允许我们‘测量’该吸积流”阿纳图亚说。

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在该文章里,我们已经进入一个黑洞近域的全新研究领域。天文学家现在可以追踪这个奇异系统随时间的变化,而且他们不仅可以研究吸积流,还可以研究相关的现象,例如相对论论喷流。对于高能粒子相对论喷流的物理特性,论文的合著者理查德阿纳图亚解释说它是理解黑洞所在星系与周围介质相互作用的关键。对吸积流的观测还能够给科学家提供另一种方式去检验迄今为止一直很有说服力的相对论。

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