人類歷史上第二張黑洞照片問世，宇宙中的怪物，舊有理論需要重建
2023-04-01 10:24:16
(不要走開，文章末尾有彩蛋)
去年的今天，我在家，坐在電腦前，看著科學家通過直播發布人類歷史上第一張黑洞照片。直到現在，我仍然清楚地記得我坐在一個寒冷的小木屋裡，在一個不太順暢的網絡上看著它。看完之後，我熬夜寫了一篇關於這個黑洞和這張照片的文章。當時反應很好。
不知不覺中，一年過去了，這張照片已經一歲了。就在兩天前，科學家公布了他們的兄弟，第二張黑洞照片。那麼，科學家這次拿了什麼？這對我們意味著什麼？讓我們從頭開始。
視界望遠鏡
早在2006年，天文學家就開始準備拍攝黑洞的照片。然而，直到2012年第一次EHT會議在美國亞利桑那州正式舉行，EHT才走上正軌。經過多年的發展，它已發展成為一個國際合作組織，有來自12個國家的30多個研究所參與，包括大學、天文觀測站和政府機構。它還可以使用8架世界上最先進的望遠鏡進行合作觀測。
這8臺望遠鏡的配合不僅產生了1×8 = 8的效果，而且以指數倍的形式提高了觀測效率。使用的原理是非常長的基線幹涉測量法。關於這項技術，我們將推出一個專門的專欄來介紹它。這裡有一個簡短的提及:由於八個望遠鏡分布在世界各地，這相當於建立一個與地球口徑相同的虛擬望遠鏡。
正是有了如此強大的觀測技術，我們才能觀測到遙遠的黑洞。
第一張黑洞照片
去年的今天(2019年4月10日)，人類歷史上第一張黑洞照片終於出現了。
這張黑洞照片來自距離我們約5500萬光年的M87星系。通過這張照片，我們終於看到了一百年前愛因斯坦預言並被人類搜尋了幾十年的神秘天體。
今年4月7日，EHT公布了他們合作的第二個結果，類星體的照片。你可能很好奇:你不是說要射黑洞嗎？你是如何成為類星體的？別擔心，讓我們先看看這個宇宙怪物。
類星體
類星體是人類在上個世紀發現的。它們與脈衝星、微波背景輻射和星際有機分子一起被稱為20世紀60年代天文學的「四大發現」。
這種天體通常位於100億光年之外，是宇宙中最古老的天體。類星體非常活躍，它們的亮度可以超過一個星系。在觀察開始時，科學家甚至發現他們有超光速現象。因此，天文學家對類星體非常感興趣。
科學家們一直在討論類星體的真實身份。目前，人們普遍認為它的核心是一個超大質量黑洞。儘管黑洞本身不發光，但它所消耗的物質會被加熱並發出強電磁輻射，這就是黑洞的吸積盤。同時，吸積盤將產生磁場，向兩側發射高能粒子束。這是相對論噴流，這是類星體如此明亮的一個重要原因。因此，在這張照片中選擇類星體實際上是為了研究黑洞。
類星體3C 279
這次拍攝的對象是一個典型的類星體-3C279。超大質量黑洞位於處女座方向50億光年之外，於1973年首次被發現。從質量的角度來看，3C 279大約是太陽的10億倍。這個數字已經相當驚人了，但與去年的M87相比，它仍然不盡人意。然而，在對它的不斷觀察中，科學家發現3C 279是宇宙中最強的伽馬射線源之一，具有極其巨大的能量，這是科學家選擇它的一個重要原因。
3C 279的虛數圖
與此同時，3C 279的相對論性噴流正對準地球。正如我們所說，這個天體屬於一個獨特的類別——姚變體。由於姚的變體是直接針對地球的，這就給了我們更好的研究它的條件。因此，無論從哪個原因來看，3C 279都是最佳選擇。
一張已經修復了三年的地圖。
2017年4月，天文學家用八架射電望遠鏡進行了為期四天的觀測。在這四天裡，他們收集了大量數據，然後在馬克斯·普朗克射電天文學研究所(MPIfR)和麻省理工學院的超級計算機上進行分析和合成。在第二張黑洞照片中，一次「修正」是三年(當然，不僅是修正，還有各種分析)。經過四天的攝影和三年的繪畫，哪個女孩能做到？
最近，EHT團隊終於寫了這篇論文，並於2020年4月7日在《佔星術和天體物理學》雜誌上發表了研究結果。在這篇論文中，我們可以看到有351位合著者，這是科學史上的一大突破和奇蹟。這表明，沒有全世界科學家的充分合作，人類科學技術的未來發展是不可能實現的。
說了這麼多，你一定想知道:第二個黑洞顯示了什麼？它帶來了什麼驚人的信息？
第二張黑洞照片
~首先，讓我們把第二張黑洞照片發給大家~
是的，就像第一張黑洞照片一樣，它也是一張看起來像馬賽克的模糊圖片。然而，對於人類現有的技術來說，這已經非常罕見了。如果不是EHT，除了像包公那樣的黑夜，你什麼也看不見。
此外，儘管畫面模糊，門外漢還是被迫帶著一張愚蠢的臉進來，帶著一張愚蠢的臉出去。但是對於天文學家來說，這個地方充滿了信息！
例如，經過4天的觀察和比較，科學家發現3C 279的相對論性噴流速度驚人，達到光速的99.5%。我們在此附上EHT在2017年四天內拍攝的3C 279的原始照片，以便比較。
當然，你可能看不到它，但是下面的相對論噴流在距離上是不同的。根據規模和時間，科學家計算出了驚人的速度。
原始理論的崩潰
有趣的是，第一張黑洞照片最終證實了愛因斯坦多年來的預測，其定律基本符合天文學家的預期。然而，這張第二張黑洞照片推翻了許多原始理論，讓天文學家們意識到他們必須重新思考黑洞。
首先，讓我們看看之前的黑洞假想圖，可能是這樣的。
這裡，我們附上EHT拍攝的第二張黑洞照片，但是我們需要看得更遠一些。在這張圖片中，只有一個噴流，而不是像想像中的圖片那樣，兩邊都被放入圖片中。
仔細觀察下面的飛機，你會發現它似乎有問題:
如果你足夠細心並且有豐富的想像力，你會發現兩者的區別。根據EHT拍攝的照片，黑洞的相對論性噴流實際上已經轉過來了！
德國波恩馬克斯·普朗克射電天文學研究所的宰·金英光是該團隊參與該項目的主要負責人。他用了一個有趣的比喻來描述這一現象:這相當於拆解俄羅斯娃娃，拆解它們，發現最裡面的那個娃娃的形狀實際上與其他娃娃不同。
這真的有點奇怪...
科學家的猜想
科學家對此有什麼解釋？
多姆·佩斯是哈佛大學和史密森尼大學天體物理學中心的博士後研究員，他認為這可能是噴流過程中的衝擊和不穩定性，導致噴流的形狀扭曲。這也有可能與高能伽馬射線有關。
總之，科學家對這一現象沒有完全可靠的解釋。目前，他們只能提出假設，然後加以驗證。正如宰金英光所說，「每次你打開一扇通向宇宙的新窗戶，你都會發現一些新的東西。」
EHT合作委員會主席安東·岑蘇斯也表示:「正如我們去年所說的那樣:這只是開始。」隨著EHT項目的繼續，科學家們可能會面臨更多被推翻的原創理論，或者意想不到的神秘現象突然出現。正是這些事故使我們的科學理論得以不斷發展和進步。
不幸的是，由於新的冠狀肺炎疫情的影響，原定於今年3月和4月進行的新一輪EHT觀察已經暫停，下一次觀察可能要等到明年。在今年剩下的時間裡，他們將集中精力整理過去的數據。我希望今年的研究和分析能夠解決3C 279給我們帶來的難題。
(雞蛋:文章中提到科學家在觀察類星體時發現了超光速現象。3C 279也不例外。天文學家甚至發現，這次它的噴射速度達到了光速的20倍。然而，科學家們並不認為這違反了愛因斯坦的相對論，而是因為噴射出的物質正以接近光速的速度射向我們，幾乎趕上了它發出的光，造成了一種它比光速還快的錯覺。)
人山人海，很難見面。如果你對科學感興趣，請不要忘記注意我，讓我們不要分開，好嗎~
