M87 星雲中心的超大黑洞，突然出現高能輻射爆發，科學家探索宇宙射線起源獲突破

在浩瀚宇宙中 是女作星系M87中心的超大質量黑洞 一直是科學界關注的焦點 2019年 世界望遠鏡發佈了這個黑洞的首張照片 舉世震驚 而此後 該黑洞又有了新的驚人發現 鈦電子伏特伽馬射線藥斑 這種藥斑發出的光子能量極爲強大 比我們日常所見的可見光高出數十億倍 如此高強度的藥斑 在過去十多年都未曾被觀測到 這一發現 爲研究黑洞附近粒子的加速機制 提供了寶貴線索 M87星雲 譯稱爲Virgo A或NGC 4486 是一個位於 適女座的橢圓星系 距離我們大約5000萬到6500萬光年 這個星系 以其中心的超大質量黑洞而聞名 其質量約爲太陽的65億倍 並且這個黑洞是2019年 人類首次直接拍攝到的 黑洞影像的主角 M87的中心區域發出強烈的輻射 是一個活躍的星系核 這種活躍性歸因於黑洞襲擊盤的活動 M87是天文學家研究黑洞 噴流以及星系演化的重要對象 並且在射電 紅外 可見光 X射線 和伽馬射線等多個波段 都展現出強烈的輻射 使其成爲多波段天文學研究的焦點 M87中心噴射出的噴流規模極其龐大 其大小是黑洞本身是件世界 或表面的700萬倍 此次高能輻射爆發的亮度 遠超射電望遠鏡 以往在黑洞區域探測到的能量水平 要般持續了大約三天 其源頭可能來自一個小於三個光日的區域 這一發現 有助於科學家進一步確定 要般產生的具體位置和相關特性 伽馬射線作爲電磁能量包 也就是光子 在電磁譜中擁有最高能量 它們產生於宇宙中極端熾熱 且能量高度集中的環境 比如黑洞周邊區域 M87黑洞的伽馬射線要般中 光子能量高達數態電子伏特 態電子伏特 適用於衡量亞原子粒子能量的單位 形象地說 這個能量相當於一隻蚊子運動時的能量 但對於比蚊子小數彎一倍的粒子而言 這是極其巨大的能量 與構成可見光的光子相比 這些伽馬射線光子的能量有着天壤之別 當物質向黑洞墜落時 會形成一個吸積盤 在這個過程中 粒子因失去引力勢能而加速 部分粒子會在黑洞兩極磁場的作用下 形成強大的外流及噴流 這個過程充滿變數 常常導致快速的能量爆發 也就是要般 不過 伽馬射線無法穿透地球大氣層 大約70年前 物理學家發現 可以通過觀測伽馬射線撞擊大氣層時 產生的刺激輻射 從地面探測伽馬射線 這位研究伽馬射線提供了可能的途徑 加州大學洛杉磯分校的博士後研究員魏東金 在相關研究中發揮了重要作用 他在對數據及最高能量部分的分析工作中 有突出貢獻 這些數據由Veritas收集 Veritas是位於亞利桑那州南部 弗雷德勞倫斯惠普爾天文臺的地面伽馬射線儀器 加州大學洛杉磯分校 在Veritas的建設過程中 參與了多項關鍵工作 包括開發讀取望遠鏡傳感器的電子設備 以及研製分析望遠鏡數據 和模擬望遠鏡性能的計算機軟件 通過這些工作和相關分析 成功檢測到要般 從數據表現上看 是與基線變異顯著偏離的大量度變化 在2018年的第二次EHT和多波段活動中 衆多知名的地面和空間觀測設施協同合作 其中包括NASA的費米勒 哈勃太空望遠鏡 NuSTAR 潛德拉和斯維夫特望遠鏡等20多個觀測設施 還有世界上三個最大的成像大氣切連科夫望遠鏡陣列 Veritas H E S 和Magic 這些觀測設施各有所長 對X射線光子以及高能和非常高能量的伽馬射線 都十分敏感 它們從不同角度對M87黑洞進行探測 爲全面瞭解黑洞特性提供了豐富的數據 該研究使用的關鍵數據集之一是光譜能量分佈 光譜就如同一個精密的探測器 能夠展示像M87這樣的天維源的能量 在不同波長光中的分佈情況 可以將其類比爲把光分解成彩虹 然後測量每種顏色中所含的能量 通過這種分析方法 有助於揭示推動超大質量黑洞噴流中 高能粒子加速的複雜過程 研究人員在深入分析後發現 環的位置也就是事件世界的位置與角度 以及噴流位置之間存在明顯變化 這一現象表明粒子和事件世界之間 在不同尺寸尺度上的物理關係 對噴流位置有着重要的影響 M87黑洞的雙極噴流是其最爲顯著的特徵之一 從核心延伸可達數千光年 此次研究爲深入探究藥斑期間 非常高能量伽馬射線發射的源頭 以及確定導致藥斑的粒子加速位置 提供了絕佳機會 這些研究成果 有可能爲解決地球上探測到的宇宙射線起源 這一長期爭議問題提供關鍵思路 推動人類對宇宙奧祕的進一步認知