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在 3.5 毫米波长下观察到的 M87 图像,其致密核心首次以高分辨率解析为环状结构(插图)。 (图片来源:R.-S. Lu (SHAO)、E. Ros (MPIfR) 和 S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF))

中科院上海天文台研究员卢如深领导的国际研究团队利用毫米波波段的新观测,首次研究了著名射电星系梅西耶87和光环的黑洞阴影类结构和周围物质显示落入中心黑洞。 强大的相对论性喷流一起成像。 这些图像首次显示了中心超大质量黑洞附近的吸积流与喷流起源之间的联系。 观测结果是由全球毫米甚长基线干涉阵列(GMVA)联合阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)和格陵兰望远镜(GLT)获得的。 这两个观测站的加入,大大增强了GMVA的成像能力。 相关成果发表在最新国际学术期刊《自然》上。

卢说:“以前我们在单独的图像中分别看到了黑洞和喷流,但现在我们在新的波段捕获了黑洞和喷流的全景。” 人们认为黑洞周围的物质正在通过一种称为吸积的过程落入黑洞,但没有人直接对其进行成像。 “我们之前看到的环状结构在 3.5 毫米波长下变得更大、更厚。这表明落入黑洞的物质正在产生额外的辐射,这在新图像中可以看到。这使我们能够更全面地了解周围的物理过程黑洞,”他补充道。

ALMA和GLT参与了GMVA观测,从而提高了这个洲际望远镜阵列的分辨率和灵敏度。 这使得科学家首次能够在 3.5 毫米的波长下对 M87 黑洞周围的环状结构进行成像。 GMVA 测量的环形结构的直径为 64 微角秒,相当于月球上的宇航员回望地球时看到的约 13 厘米(5 英寸)的补光环的大小。 这个直径比之前在事件视界望远镜(EHT)观测到的1.3毫米中看到的环形结构大50%,并且与该区域相对论等离子体辐射的预期一致。

“通过将 ALMA 和 GLT 添加到 GMVA 观测中,极大地提高了成像能力,我们获得了新的视角。我们确实看到了我们从早期 VLBI 观测中了解到的三齿喷流,”德国波恩的研究人员说。 马克斯·普朗克射电天文学研究所 (MPIfR) 的托马斯·克里奇鲍姆 (Thomas Krichbaum) 说道。 “但现在我们可以看到喷流是如何从中心超大质量黑洞周围的环中喷出的,而且我们现在还可以在另一个波段测量黑洞周围环的直径。”

M87 的无线电辐射是由高能电子和磁场的相互作用产生的,这种现象称为同步辐射。 在 3.5 毫米波长处,新的观测结果揭示了有关这些电子的位置和能量的更多细节。 他们还告诉科学家一些有关黑洞本身性质的信息:它并不“非常饥饿”。 它以非常低的速度消耗物质,仅将一小部分转化为辐射。 中央研究院天文与天体物理研究所的浅田敬一解释说:“为了了解这个更大、更厚的环的物理起源,我们必须使用计算机模拟来测试不同的场景。” “最终我们得出的结论是,更亮的环更大的尺度与吸积流有关。”

日本国家天文台的 Kazuhiro Hada 补充道:“我们在数据中还发现了一些令人惊讶的事情:在靠近黑洞的内部区域,辐射的宽度比我们预期的更宽。这可能意味着有超过只是气体落入,还可能有‘风’吹出,在黑洞周围引起湍流和混乱。”

对 M87 的搜寻尚未结束,进一步的观测和强大的望远镜阵列将继续揭开它的谜团。 韩国天文与空间科学研究所的 Jongho Park 表示:“未来的毫米波观测将研究 M87 黑洞的时间演化,并将通过组合不同颜色的图像来获得 M87 中心黑洞区域的多色视图。 ‘无线电灯’。”

此次展示的3.5毫米波长图像可以说代表了最新成果。但为了揭示M87及其中心超大质量黑洞形成、加速、准直传播的物理机制之谜,相对论性喷流,我们需要拍摄更多颜色的高质量图像,包括0.8毫米或更短的亚毫米波长的黑洞照片,以及波长高达7.0毫米的黑洞和喷流的全景图像,这些都非常令人兴奋。未来,”上海天文台台长沈志强补充道。

3.5毫米成像观测由全球毫米波VLBI阵列(GMVA)组织。 参与观测的16台望远镜是阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)和格陵兰望远镜。 (格陵兰望远镜,简称GLT)、IRAM 30米射电望远镜、Effelsberg 100米射电望远镜、Metsähovi 14米射电望远镜、Onsala 20米射电望远镜、Yebes 40米射电望远镜、Green Bank 100米射电望远镜以及美国甚长基线干涉阵列可观测的8座25米射电望远镜(VLBA-BR、VLBA-FD、VLBA-KP、VLBA-LA、VLBA-MK、VLBA-NL、VLBA-OV、VLBA-PT) 3.5 毫米英寸 (VLBA)。

该研究由中国科学院上海天文台陆如申作为项目首席科学家领衔,团队由来自17个国家和地区、共64个研究单位的121名科研人员组成。

这一突破性成果得到了国家自然科学基金委员会、中国科学院、德国马普学会的大力支持。

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