首張黑洞照片背后的物理:起源于“瘋狂”吸積流

  2019410日,事件視界望遠鏡國際合作組織(EHT)宣布得到了第一張黑洞(M87)照片。這張照片的中心是一個近似圓形的黑暗區域,該區域被一個發光的亮環包圍。中間的黑色圓圈是由于黑洞的存在導致的,發光的亮環則來自黑洞周圍的“吸積流”氣體。那么,吸積流的本質是怎樣的呢?上海天文臺的袁峰研究員課題組對這一問題進行了研究,發現該吸積流中磁場很強,屬于磁主導的“瘋狂”吸積流。該成果近日發表在了《天體物理雜志》(ApJ)上。

  黑洞吸積流是旋轉的,旋轉吸積流要想能夠落入黑洞,僅僅靠黑洞的引力是不夠的,還需要物理機制來減慢氣體的旋轉。BalbusHawley的研究發現這一機制就是磁場,該成果2013年獲得了邵逸夫天文獎。后來,著名天體物理學家Narayan等人進一步的研究預言,宇宙中存在兩種吸積流,一種是正常吸積流,另外一種是瘋狂吸積流,前者磁場較弱,后者磁場很強。除了磁場外,兩種吸積流其他方面也存在很大不同,而且還決定了黑洞噴流的形成。

左圖:“正?!蔽e流,右圖:“瘋狂”吸積流

    

  那么,首張黑洞照片中的吸積流屬于哪一種呢?

  這個問題也一直是EHT的研究課題之一。經過努力,他們觀測得到了偏振光下該黑洞的照片。利用該照片,結合針對“正?!迸c“瘋狂”吸積流的數值模擬以及復雜的偏振光輻射轉移計算,他們推斷吸積流非??赡苁恰隘偪瘛蔽e流。EHT合作組于20213月召開新聞發布會宣布了這一成果。然而遺憾的是,正如論文中指出的,EHT觀測的是距離黑洞很近的吸積流的輻射,由于黑洞附近廣義相對論效應很強、吸積流是強湍動的、以及難以準確確定吸積流中電子的溫度和非熱電子數目等原因,導致這一研究結果存在不確定性。

  為此,上海天文臺的袁峰研究員課題組獨辟蹊徑,利用天文學家2019年得到的對距離該黑洞1萬至10萬黑洞半徑處區域的射電偏振觀測數據重新研究了這一問題。由于黑洞吸積伴隨著很強的外流(風和噴流),而且這些外流充滿了從黑洞到至少100萬黑洞半徑的區域,不同的吸積流肯定就會在這些區域留下“痕跡”。所以,結合該偏振觀測數據以及理論模擬,通過計算并比較一個叫“旋轉量”(Rotation measure)的物理量,我們就可以確定吸積流的物理本質。與EHT數據不同,由于觀測的是距離黑洞較遠處的氣體,因此廣義相對論效應、吸積流的湍動效應都很弱,也不需要考慮對電子溫度和對非熱電子的依賴。此項研究的結果令人信服地證明,該黑洞的吸積流的確是磁主導的“瘋狂”吸積流。由于宇宙中很大部分超大質量黑洞周圍的吸積流都跟M87中的類似,這一工作對于我們理解宇宙中黑洞吸積流的物理本質邁出了重要一步。

Y軸代表“旋轉量”,X軸代表到黑洞距離。圖中黑色圓點代表觀測結果,棕色、綠色區域分別代表瘋狂吸積流和正常吸積流預言的旋轉量。圖中三條曲線展示的是兩種吸積流情況下三個吸積率的結果。

    

文章鏈接:https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac4714 

科學聯系人:袁峰,中國科學院上海天文臺,fyuan@shao.ac.cn,021-34775301 


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