返回第10章 M87黑洞  Travel旅行首页

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解最初被称为“冻星”(Frozen Star)——因为当天体坍缩到史瓦西半径时,时间会“冻结”(引力时间膨胀效应)。直到1967年,美国物理学家约翰·惠勒(John wheeler)提出“黑洞”(bck hole)这个名字,才广为流传。

二、87星系:宇宙中的“喷流工厂”

87黑洞所在的87星系,是理解黑洞的关键——它的“喷流”(Jet)早在1918年就被观测到,是人类最早发现的“活动星系核”(Active Gactiucle, AGN)之一。

2.1 87的基本画像:椭圆星系的“巨无霸”

87位于室女座星系团(Virgo cster)的中心,是一个椭圆星系(E0型,几乎没有自转的扁平星系)。它的基本参数:

距离地球:约5500万光年;

直径:约12万光年(比银河系大);

质量:约6.5x1012倍太阳质量(银河系的20倍);

核心特征:有一个明亮的射电核和长达5000光年的喷流。

2.2 喷流的秘密:黑洞的“能量引擎”

87的喷流是从星系中心高速喷出的等离子体流,速度接近光速(0.99c)。它的能量来源,正是黑洞的吸积盘(Aretion disk):

星系中的气体、恒星、尘埃被黑洞的引力吸引,形成一个高速旋转的吸积盘;

吸积盘内的物质摩擦产生高温(可达101? K),释放出强烈的电磁辐射;

部分物质会沿着黑洞的自转轴方向“喷出”,形成喷流——这是因为黑洞的自旋产生了相对论性喷流(Retivistic Jet),将粒子加速到接近光速。

2.3 早期观测:从射电到x射线的“黑洞线索”

87的喷流早在1918年就被美国天文学家希伯·柯蒂斯(heber curtis)用望远镜观测到,但当时没人知道它来自黑洞。直到20世纪60年代:

射电望远镜发现,喷流的辐射来自同步辐射(Synchrotron Radiation)——高速电子在磁场中旋转产生的辐射,这说明喷流里有大量带电粒子;

x射线望远镜发现,星系核心的亮度远超普通恒星,说明有一个“致密天体”在提供能量。

三、百年追寻:从“候选体”到“直接成像”

尽管87的黑洞线索早已有之,但要“看见”它的事件视界,需要解决两个关键问题:

分辨率:黑洞的事件视界太小,必须用足够高的分辨率才能观测到;

观测手段:需要一种能穿透尘埃、捕捉黑洞周围辐射的技术。

3.1 分辨率的挑战:为什么要用全球望远镜?

黑洞的事件视界角大小(Angur Size)非常小——87黑洞的史瓦西半径约为1.9x1013公里(约2光年),距离地球5500万光年,所以角大小约为:

\\theta = \\frac{R_s}{d} = \\frac{1.9x10^{13}}{5.5x10^{12}x9.46x10^{12}} ≈ 4x10^{-10} \\text{弧度} ≈ 40 \\text{微角秒}

(注:1弧度=角秒,1角秒=10?微角秒)

这个角大小相当于在月球上看一个乒乓球——要达到这样的分辨率,传统望远镜根本不可能。必须用甚长基线干涉术(VLbI):将全球多个射电望远镜连起来,形成一个虚拟望远镜,口径等于望远镜之间的距离(地

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