利用引力透鏡看見罕見黑洞內部的一瞥

【博科園-科學科普】可觀測的宇宙是一個非常大的地方，直徑大約有910億光年。因此天文學家需要靠強大的儀器去看遠處的物體。但即使是這些有時也是有限的，必須與一種被稱為引力透鏡的技術相結合。這需要依靠物質（星系或恆星）的大質量分布來放大來自遙遠物體的光。

引力透鏡的技術依賴於觀察者和物體之間存在大質量物質，以放大來自該物體的光。圖片版權：NASA

利用這項技術，由加州理工學院(加州理工學院)歐文斯谷射電天文台(OVRO)的研究人員領導的一個國際團隊能夠觀察到從遙遠星系的超大質量黑洞噴射出的熱氣流(稱為PKS 1413 + 135)。這一發現提供了迄今為止從超大質量黑洞中心(SMBH)中經常探測到的熱氣體類型的最佳觀點。

在8月15日出版的《天體物理學雜誌》上發表了兩篇研究報告。他們都是由加州理工學院的博士後學者Harish Vedantham領導的，也是由安東尼·瑞德海德領導的國際項目的一部分，該項目由安東尼·瑞德海德(Anthony Readhead)領導，他是天文學的名譽教授也是OVRO的董事。

歐文斯谷電台(OVRO)位於加州畢肖普附近——是世界上最大的大學無線電天文台之一。圖片版權：caltech / ovro

這個OVRO項目自2008年以來一直很活躍，通過它的40米望遠鏡觀測了1800個活躍的SMBHs和它們各自的星系。這些觀測是為了支持NASA的費米伽馬射線太空望遠鏡，該望遠鏡在同一時期對這些星系和它們的SMBHs進行了類似的研究。

正如研究小組在他們的兩項研究中所指出的，這些觀測提供了一種新的洞見，這些物質會周期性地從超大質量黑洞中噴射出來，同時也為引力透鏡研究打開了新的可能性。正如維丹瑟姆博士在最近的一份加州理工學院的新聞聲明中指出的那樣：

已經知道了這些物質的存在，這些物質沿著黑洞噴射流，它們接近光的速度，但對它們的內部結構或發射方式知之甚少。有了像這樣的透鏡系統，我們可以看到黑洞「中央引擎」的團塊比以前更詳細了。

雖然所有大型星系都被認為在星系中心有一個SMBH，但並不是所有的星系都有熱氣體伴隨它們。這種射流的存在與一個活躍的星系核(AGN)有關，這是一個位於星系中心的緻密區域，在許多波長上都特別明亮——包括無線電、微波、紅外線、光學、紫外線、x射線和伽瑪射線輻射。

插圖顯示了OVRO發現的引力透鏡系統的可能設計。圖片版權：Anthony Readhead / Caltech / MOJAVE

這些噴射物是被拉向SMBH物質的結果，其中一些以熱氣體的形式被噴射出來。這些噴流中的物質以接近光速的速度傳播，這些噴流的活動周期從1到1000萬年不等。大多數情況下黑洞噴發是相對穩定的，每隔幾年他們就會吐出更多的熱物質。

早在2010年OVRO的研究人員注意到PKS 1413 + 135的無線電排放物已經亮起，褪色，然後在一年的時間裡重新變亮了。2015年，他們注意到了同樣的行為，並進行了詳細的分析。在排除了其他可能的解釋之後，他們得出結論，整體的光亮可能是由兩個高速的物質從黑洞中噴射出來造成的。

這些塊狀物沿著噴射流飛行，當它們經過引力透鏡後，它們就被放大了，它們是用來觀測的。這個發現是相當偶然的，也是多年天文研究的結果。正如加州理工學院(Caltech)的高級研究科學家、論文的合著者蒂莫西·皮爾森(Timothy Pearson)解釋的那樣：已經觀測了大量的星系，以發現這個物體的亮度對稱的dips，指向一個引力透鏡的存在。我們現在正在努力尋找其他的數據，試圖找到類似的物體，可以給星系核放大的視野。

在銀河系中心的活動星系核(AGN)的表示概念圖。圖片版權：NASA/CXC/M.Weiss

對於國際團隊的觀察，令人興奮的是他們使用的「透鏡」的性質。在過去科學家們依靠巨大的透鏡(即整個星系)或由單個恆星組成的微透鏡。然而由Vedantham博士和Readhead博士領導的研究小組依賴於他們所描述的大約一萬倍太陽質量的「毫透鏡」。

這可能是歷史上第一個依賴於中型透鏡的研究，他們認為這種透鏡很可能是星團。一個毫米大小的透鏡的優點之一是它不夠大，不足以阻擋光的整個光源，使它更容易發現較小的物體。有了這個新的引力透鏡系統，據估計天文學家將能夠觀察到比以前小100倍的鱗片。

看到的團塊離中心黑洞很近，而且很小只有幾光年的距離，這些微小的物質以接近光速的速度移動，在前景螺旋星系中被一個引力透鏡放大。這提供了精確的百萬分之一秒的弧線，這相當於從地球上觀察月球上的一粒鹽。

更重要的是研究人員指出，透鏡本身具有科學的興趣，原因很簡單，在這個質量範圍內不太了解物體。因此這個潛在的星團可以作為一種實驗室，讓研究人員有機會研究引力的millilensing，同時也可以清晰地看到從活動星系核流出的核流。

位於加州畢曉普附近的歐文斯谷無線電天文台(OVRO)的40米望遠鏡圖像，圖片版權：Anthony Readhead/Caltech

展望未來研究小組希望用另一種被稱為「長期基線干涉測量法」的技術來證實他們的研究結果。這將包括來自世界各地的射電望遠鏡拍攝的PKS 1413 + 135和它的中心的SMBH。考慮到迄今為止他們所觀察到的情況，這個SMBH可能會在幾年時間內(到2020年)吐出另一團物質。

Vedantham,Readhead和他們的同事計劃為這次活動做好準備。發現下一個clump不僅驗證了他們最近的研究，還驗證了他們用來進行觀測的毫透鏡技術。正如Readhead所指出的那樣，我們不能像歐文斯谷廣播天文台那樣，在沒有大學的情況下進行這樣的研究，在那裡我們有時間把一個大型望遠鏡專門用於一個項目。

由NASA、國家科學基金會(NSF)、史密森學會(Smithsonian Institution)、中央研究院(Sinica)、芬蘭科學院(Academy of The Academy of芬蘭)和智利中央情報局(The智利Centro de Excelencia y Tecnologias Afines)(CATA)提供的資金，這些研究才得以實現。

參考：加州理工學院，天體物理學雜誌

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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