超大质量黑洞周围的M87巨星系有多狂野?

视界望远镜(EHT)已公布了黑洞视界的首张图像,黑洞视界是光无法逃脱黑洞巨大引力的区域。这个巨大的黑洞,有着65亿个太阳质量,位于椭圆星系梅西耶87 (M87)。EHT是一个国际合作组织,它在美国的支持包括美国国家科学基金会。这张来自美国宇航局斯皮策太空望远镜的图片显示了整个M87星系的红外线。相比之下,EHT图像依赖于射电波长的光,并在黑洞周围高能物质的背景下显示出黑洞阴影,M87距地球约5500万光年,100多年来一直是天文学研究的主题。

并被许多NASA的天文台拍摄过图像,包括哈勃太空望远镜、钱德拉x射线天文台和NuSTAR。1918年天文学家Heber Curtis第一次注意到“一条奇怪的直线射线”从星系中心延伸出来。这种明亮的高能物质射流是由一个围绕黑洞快速旋转的物质盘产生,可以在多个波长的光中看到,从无线电波到x射线。当喷流中的粒子撞击星际介质(M87中恒星间的稀疏物质)时,它们会产生一种冲击波,以红外线和射电波长发出光,但不发出可见光。在斯皮策的图像中,冲击波比喷射流本身更为突出,位于星系中心右侧明亮的喷流几乎是直接向地球运动的。

  • 由美国宇航局斯皮策太空望远镜拍摄的M87星系是一个超大质量黑洞所在地,该黑洞以接近光速的速度向太空喷射出两束物质,插图显示了由两股射流产生冲击波的特写视图。图片:NASA/JPL-Caltech/IPAC

它的亮度被放大是因为它在我们这个方向上的高速运动,但更大的原因是科学家们所说的“相对论效应”,这种效应的产生是因为喷流中物质以接近光速的速度运动。喷流轨迹与我们的视线相对于星系有轻微偏移,所以我们仍然可以看到喷流的一些长度。冲击波从喷流似乎向下弯曲的地方开始,突出了快速移动的粒子与星系中气体碰撞并减速的区域。相比之下,第二个喷射流正以如此之快的速度远离我们,以至于相对论效应使得它在所有波长都是不可见的。但是它在星际介质中产生的冲击波仍然可以在这里看到。

  • 在美国宇航局斯皮策太空望远镜拍摄的这张图片中,M87星系看起来像一个朦胧的蓝色太空泡,在星系的中心是一个超大质量的黑洞,它向太空喷射两股物质。图片:NASA/JPL-Caltech/IPAC

位于星系中心左侧的冲击波看起来像一个倒写的字母“c”。虽然在光学图像中看不到波瓣,但在无线电波中也可以看到波瓣,就像这张来自美国国家射电天文台甚大阵列的图像一样。通过结合红外线、无线电波、可见光、x射线和高能伽马射线的观测,科学家们可以研究这些强大喷流的物理学。科学家们仍在努力从理论上理解气体被吸入黑洞后是如何产生喷射流的。3.6微米和4.5微米波长的红外光用蓝色和绿色表示,显示了恒星的分布,而8.0微米波长的尘埃特征则用红色表示。这张照片是在斯皮策最初的“冷”任务期间拍摄。

  • 这张M87星系的广域图像是由NASA斯皮策太空望远镜拍摄,上面的插图显示了两个冲击波的特写镜头,这两个冲击波是由星系的超大质量黑洞喷射产生。事件视界望远镜最近拍摄了一个黑洞轮廓的特写照片,显示在第二幅插图中。图片:NASA/JPL-Caltech/Event Horizon Telescope Collaboration