Only Perception: 天文學家首度測得黑洞半徑

2012-09-28

天文學家首度測得黑洞半徑

For the first time, astronomers have measured the radius of a black hole
http://phys.org/news/2012-09-astronomers-radius-black-hole.html

By Jennifer Chu, September 27, 2012

(Phys.org) -- 不歸路（點）：在天文學中，那被稱為黑洞 -- 太空中的一個區域，在此，重力的拉扯如此之強，以至於沒有東西（就連光線也不例外）能夠逃脫。能比我們的太陽重數十億倍的黑洞，可能位於絕大多數星系的心臟。像這樣的超重黑洞，威力如此強大，以至位於其邊界的活動能擾動整個宿主星系。

現在，一個跨國團隊，由 MIT Haystack 天文台的研究者所領導，首度測得一個位於遙遠星系中心的黑洞的半徑 -- 物質冷不防地被拉進黑洞之前，所能到達的最近距離。

科學家將夏威夷、亞歷桑納與加州的無線電碟形天線串接在一起，創造出一個叫做「Event Horizon Telescope（EHT）」的望遠鏡陣列，其所能見到的細節，比哈伯太空望遠鏡還要精細 2000 倍。這些無線電望遠鏡瞄準 M87，一個離銀河系約 5000 萬光年遠的星系。M87 藏有一個比我們的太陽重 60 億倍的黑洞；利用這個陣列，該團隊在此黑洞邊緣附近觀察到物質的光暈（glow of matter）-- 一個稱為「事相面（event horizon）」的區域。

"一旦物體掉入事相面，它們會永遠消失，" Shep Doeleman 說，MIT Haystack 天文台助理主任以及 Smithsonian 天體物理天文台副研究員。"那是一個從我們宇宙離開的出口。你穿過那道門，你將無法回來。"

Doeleman 及其同僚將這些結果發表在本週的 Science 期刊中。

就在一個黑洞的邊緣

超重黑洞是愛因斯坦（Albert Einstein）的重力論所預測、最極端的天體 -- 在此，根據 Doeleman 表示，"重力完全陷入混亂且龐大的質量潰縮到一個不可思議的密閉空間中。" 在黑洞的邊緣，重力如此之強，以至於它從週遭將每樣東西拉進來。然而，並非每樣東西都能穿過事相面以擠入黑洞之中。結果是一場「宇宙大塞車」，在其中，塵埃與氣體聚積起來，創造出一種扁平的物質鬆餅，稱為吸積盤（accretion disk）。這個吸積盤以近乎光速繞行黑洞，持續餵食黑洞「超熱物質」餐。隨著時間過去，吸積盤能導致黑洞自旋，方向與繞行中的物質一樣。

在這種螺旋流動中所偵測到的是磁場，那沿著吸積盤上方的強力射束加速熱物質。所產生的高速噴流（從黑洞與吸積盤發射）射出穿越星系，延伸數十萬光年遠。這些噴流會影響許多星系過程，包括恆星形成的速度。

「愛因斯坦是對的嗎？」

噴流的軌跡能幫助科學家理解在一個以重力為主宰力的區域中，黑洞的動力學。Doeleman 表示，如此極端的環境最適於確認愛因斯坦的廣義相對論 -- 今日對於重力的決定性描述。

"愛因斯坦的理論已在低重力場案例中獲得驗證，例如地球上或太陽系中，" Doeleman 說。"但它們尚未在宇宙中的唯一之處精確地獲得驗證，在那邊愛因斯坦的理論可能失效 -- 那正是黑洞的邊緣。"

根據愛因斯坦的理論，一個黑洞的質量及其自旋決定物質在變得不穩定且朝事相面墜落之前，能在多近的距離下繞行。因為 M87 的噴流在磁性上是從其最小軌道開始，所以天文學家可透過仔細量測噴流離開黑洞時的大小，來估計黑洞的自旋。到目前為止，望遠鏡的放大倍率都不足以進行這樣的觀測。

"我們現在能問「愛因斯坦是對的嗎？」這個問題了，" Doeleman 說。"我們能在這個非常強的重力場中，確認其理論所預測的面貌與特徵。"

這個團隊使用一種稱為 Very Long Baseline Interferometry（VLBI，超長基線干涉）技術，那連接來自相距數千英里遠的無線電望遠鏡的資料。來自不同碟型天線的訊號，湊在一起創造出一座「虛擬望遠鏡」，其望遠鏡的解析力跟各碟型天線之間的空間一樣大（譯註：解析力與主鏡大小成正比）。

這種技術讓科學家能看見遙遠星系中極度精確的細節。

利用這種技術，Doeleman 及其團隊測得吸積盤最內側的軌道只有黑洞事相面的 5.5 倍大。根據物理定律，這個大小暗示，吸積盤的旋轉方向與黑洞相同 -- 這是第一個證實「黑洞如何從星系中心加持（power）噴流」的理論的直接觀測。

該團隊計畫擴充其望遠鏡陣列，增加位於智利、歐洲、墨西哥、格陵蘭與南極的無線電望遠鏡，以便在未來獲得更詳細的黑洞圖像。

更多資訊請參訪： www.eventhorizontelescope.org/

※ 或許星系的「熱氣暈」是由黑洞的噴流所造成。相關報導：

＊ Jet-Launching Structure Resolved Near the Supermassive Black Hole in M87
http://dx.doi.org/10.1126/science.1224768

Sheperd S. Doeleman, Vincent L. Fish, David E. Schenck,
Christopher Beaudoin, Ray Blundell, Geoffrey C. Bower,
Avery E. Broderick, Richard Chamberlin, Robert Freund,
Per Friberg, Mark A. Gurwell, Paul T. P. Ho, Mareki Honma,
Makoto Inoue, Thomas P. Krichbaum, James Lamb,
Abraham Loeb, Colin Lonsdale, Daniel P. Marrone,
James M. Moran, Tomoaki Oyama, Richard Plambeck,
Rurik A. Primiani, Alan E. E. Rogers, Daniel L. Smythe,
Jason SooHoo, Peter Strittmatter, Remo P. J. Tilanus,
Michael Titus, Jonathan Weintroub, Melvyn Wright,
Ken H. Young, Lucy Ziurys.
Science (Published Online September 27 2012)
doi: 10.1126/science.1224768

...We report radio interferometry observations at 1.3 mm wavelength of the elliptical galaxy M87 that spatially resolve the base of the jet in this source. The derived size of 5.5 ± 0.4 Schwarzschild radii is significantly smaller than the innermost edge of a retrograde accretion disk, suggesting that the M87 jet is powered by an accretion disk in a prograde orbit around a spinning black hole.