“事件視界”望遠鏡首次測量星系中央黑洞半徑

tigerb

                               
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圖1:計算機模擬生成的M87星系中央區域黑洞極端引力場扭曲周圍物質的效果圖

                               
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圖2:典型的超大質量黑洞吸積盤（橙色區域）模型以及兩端釋放的相對論噴流

                               
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圖3:描述本次黑洞半徑測量區域與事件視界之間的位置關係圖，吸積盤最內側的測量半徑達到事件視界的5.5倍

黑洞作為宇宙中最神秘的天體之一在於其擁有強大的引力場，哪怕是光也無法逃脫。在大多數星系的核心區域都存在質量達太陽數十億倍黑洞，超大質量黑洞具有強大的引力場，影響範圍可波及整個宿主星系。日前，由麻繩理工學院海斯塔克天文台（Haystack）研究人員領導的國際科學家小組首次測量了遙遠星系中央區域黑洞的半徑，在物質徹底落入黑洞之前可以抵達的最遠事件視界邊緣。

圖1中顯示了由計算機模擬出的室女座M87星系中央黑洞極端引力場扭曲位於事件視界附近噴流的情形，其中部分輻射被引力嚴重彎曲成一個環形，這也是我們通常所說的黑洞“影子” 。科學家們將位於夏威夷、亞利桑那州和加利福尼亞州的射電望遠鏡陣列聯合，形成一個“事件視界望遠鏡”（EHT），其觀測能力是哈勃空間望遠鏡的2000倍。天線指向M87星系方向，這是一個距離銀河系5000萬光年的橢圓星系，其中央存在一個超大質量黑洞，質量達到太陽質量的60億倍，科學家通過“事件視界望遠鏡”可觀測到黑洞邊緣附近發出的光線，這個可視的區域就被稱為事件視界。

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A Spinning Black Hole At A Galaxys M87 Center

根據麻省理工學院海斯塔克天文台助理主任、史密森天體物理中心天文台助理研究員夏普·多爾曼（Shep Doeleman）介紹：“一旦物體墜入事件視界之內，它們就永遠消失，這就如同一個宇宙的出口，但只要走進這扇門就回不來了。”本項研究結果刊登在本週的《科學》期刊上。黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言的極端天體，這裡的引力將是無法想像的，可將巨大質量的天體（如恆星）物質吸入至一個奇點上。而在黑洞的邊緣，強大的引力使得一定範圍之內的天體都圍繞著黑洞旋轉。

被黑洞引力控制住的天體並非立刻落入奇點，而是在黑洞周圍形成盤狀物質螺旋，這就是由氣體和塵埃等彌散物質構成的吸積盤，其上的物質以接近光速的速度運動，隨著時間的推移，吸積盤的角動量將會使得黑洞的自轉方向與物質流的方向一致。圖2中顯示了典型的存在於大多數星系中央區域的超大質量黑洞吸積盤（橙色區域）模型，在吸積盤兩端都出現了相對論噴流，落入黑洞的物質螺旋盤面磁場受到自轉方向的扭曲，沿著兩個方向釋放出強大的噴流。

噴流外圍可看到呈現螺旋狀的磁場，可加快吸積盤上形成高速噴流。從黑洞吸積盤面上向兩個方向釋放的噴流攜帶呈現電中性的粒子束，可影響數十萬光年的星系區域，其中就包括有些恆星快速形成之謎。然而，愛因斯坦是正確的嗎?相對論噴流的軌跡或可以幫助科學家了解在黑洞引力場主導區域內的動力學特性，夏普·多爾曼認為如此極端的引力環境完美證明了愛因斯坦的廣義相對論。

愛因斯坦的理論在非極端引力場的條件下符合觀測結果，比如地球或者太陽系中，但科學家們還沒最終核實廣義相對論在黑洞邊緣的自洽性，這裡是宇宙中唯一可能打破該定律的地方。廣義相對論推出黑洞的質量和自轉決定了物質在落入事件視界之前的軌道，天文學家對M87星系中央大質量黑洞相對論噴流大小的詳細測量以評估黑洞的自轉。但目前為止，還沒有望遠鏡可以放大該黑洞的信號到觀測所需的精度。

通過這項技術，夏普·多爾曼和他的研究小組測量了吸積盤最內側的軌道，只有黑洞事件視界半徑的5.5倍。根據物理學定律，吸積盤最內側軌道半徑大小表面吸積盤的旋轉方向與黑洞的自轉方向相同，這也是首次確認星系中央超大質量黑洞吸積盤兩端釋放的相對論噴流理論。該研究團隊的科學家計劃擴大“事件視界”望遠鏡陣列，增加位於智利、歐洲、墨西哥、格陵蘭和南極的射電望遠鏡陣列，以便將來獲得更多關於黑洞的詳細照片。

tigerb

                               
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The Messier 87 galaxy.

室女A星系
梅西爾87（也稱為M87、室女A或NGC 4486）是一個巨大的橢圓星系，是在室女座的北部最大和最亮的星系。這個星系有一個值得注意的活躍星系核，在多個頻率上發射出強烈的電磁波，特別是無線電波。因為它是在地球附近最大的巨大橢圓星系，它也成為廣為人知，備受業餘天文學家和專業天文學家的觀測和研究。估計在M87核心，32,000秒差距的範圍內，的質量約有2.6 ± 0.3 ×1012M☉。


球狀星團
M87被歸類為有超重質量黑洞的星系。在2006年量測至距離核心25′處，估計有12,000± 800個球狀星團環繞着M87 。與銀河系的150-200個比較，M87有着異常大量的球狀星團成員（可能是已知有最多星團環繞的星系）。

                               
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This Hubble Space Telescope photograph shows the jet of matter ejected from M87 at nearly light speed, as it stretches 1.5 kpc (5 kly) from the galactic core.

噴流
在1918年，利克天文台的天文學家希伯·柯蒂斯發現來自M87的物質噴流，被描述為"古怪的直線光束"。這道噴流由M87的核心向外延伸至少5,000光年，是由星系的物質噴流，非常像是黑洞造成的（事實上非常像發現圍繞着M87核心快速旋轉的氣體盤）。天文學家相信在核心的黑洞質量大約是30億個太陽質量(3×109)。 但美國天文物理學家蓋哈特（Karl Gebhardt）與德國研究夥伴托馬斯（Jens Thomas）發現，位於M87銀河（Messier 87 Galaxy）中心的黑洞質量是太陽的64億倍，是高準度技術迄今所量測到最大的黑洞。兩位學者在加州巴沙迪納的「美國天文學會」（American Astronomical Society）會議上表示，這項發現係藉助德州大學（University of Texas）「德州先進運算中心」（Texas Advanced Computing Center）的龐大運算能力。 M87也被發現是強烈的X-射線源，它是鄰近地區最值得研究的電波星系。

                               
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In this Chandra X-ray Observatory image, cold matter from the Virgo cluster falls toward the core of M87, where it's met by the relativistic jet, producing shock waves in the galaxy's interstellar medium.

超光速運動
在哈柏太空望遠鏡於1999年拍攝的圖片中，測出M87噴流的運動速度是光速的4-6倍。這種運動被認為是相對論於速度的一種視覺上的結果，並不是真正的超光速運動。然而，偵測到這樣的運動支持類星體的理論，蠍虎座BL型天體和電波星系也有相同的現像，通常認為這是從不同的透視點觀察活躍星系核所見到的現像。

                               
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The Virgo Cluster showing the diffuse light between the galaxies belonging to the cluster. Messier 87 is to lower left.

X-射線發射圈和環
錢卓望遠鏡的觀測顯示存在輻射出熱X-射線的氣體圈和環，這些圈和環是滲入星系團和環繞着M87的氣體因壓力波而引起的。壓力波則是由超重質量黑洞噴流拋出物質的速率變化造成的。圈的分佈建議大約每600萬年發生一次小的爆發，有一個環繞着黑洞，直徑85,000光年的激震波環是由一次主要的噴發所造成。其他被觀察到的明顯特徵還有長達10萬光年，散發出X-射線的狹窄細絲，和在7000萬年前爆發的熱氣體中的一個巨大空洞。規律的爆發阻礙了大量氣體的儲存和冷卻成為恆星，暗示著M87的演化受到的嚴重的影響，使它不能成為巨大的螺旋星系。

觀測也暗示著聲波的出現：較小的爆發發出比中央C低56個八度音的聲音，主要的爆發則產生比中央C低58-59個八度音的聲音。

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NASA Chandra X-ray Observatory: M87 in 60 Seconds

γ射線發射
M87也是一個非常良好的γ射線源，在電磁波頻譜中這是能量最高的；是可見光能量的百萬倍。從1990年的後期舊觀測到γ射線，但到最近才使用HESS契倫可夫望遠鏡觀測。科學家測量到來自M87的γ射線有如潮汐般的變動，並且發現只要幾天就會如潮汐般的變動。

被認為存在於M87中心的超大質量黑洞，大約有66億太陽的質量，其黑洞事件視界是海王星軌道的4倍。

甚麼是事件視界呢

  
事件視界（event horizon），是一種時空的曲隔界線。視界中任何的事件皆無法對視界外的觀察者產生影響。在黑洞周圍的便是事件視界。在非常巨大的重力影響下，黑洞附近的逃逸速度大於光速，使得任何光線皆不可能從事件視界內部逃脫。根據廣義相對論，在遠離視界的外部觀察者眼中，任何從視界外部接近視界的物件，將須要用無限長的時間到達視界面，其影像會經歷無止境逐漸增強的紅移；但該物件本身卻不會感到任何異常，並會有限時間之內穿過視界。

                               
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事件視界

而事件視界又稱為黑洞的視界，也叫事像地平面，是一種時空的曲隔界線，指的是在事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的資訊，或者受到事件視界以內事件的影響。因為即使速度快如光也無法出脫事件視界的範圍，因此又演繹出“ 視界 ”的譯詞，作為外界觀察者可看見範圍的界線；從這點，事件視界所包住的時空對外界的觀察者而言看起來是黑的，而出現了“黑洞”這名稱。當有物質落到黑洞中，或兩個黑洞相撞並合併成一個黑洞時，新黑洞的"事件視界"面積將大於或等於原先黑洞"事件視界" 面積的總和。

                               
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黑洞事件視界示意圖

事件視界，也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界，正如同圍繞著黑洞的單向膜：物體能通過事件視界落到黑洞裡去，但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。

事件視界是造成黑洞所以被稱為黑洞的根本原因，不過實際的觀測還沒有發現事件視界。
註:通過“事件視界望遠鏡”，夏普·多爾曼和他的研究小組測量了吸積盤最內側的軌道，只有黑洞事件視界半徑的5.5倍。

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