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来自黑洞的“闪电”

原文标题:Lightning flashes from a black hole

原文来自:Max-Planck-Institut Gesellschaft     Posted: 2014. 11. 7

编译:Melipal   审校:Linq 

MAGIC望远镜在星系IC 310中观测到了一场短而强有力的辐射爆发。

英仙座的射电星系IC 310距离地球大约有2.6亿光年。天文学家认为,它的中心存在一个特大质量黑洞。这个黑洞喷出了一场极为强有力的伽玛射线爆发,加那利(Canary)群岛拉帕尔马(La Palma)的MAGIC望远镜观测到了它。这个辐射源展现出的辐射变化是研究者迄今在这样的能段从河外源中观测到的最快的。

出乎研究者意料的是,在爆发期间,测量到的IC 310星系核区域辐射强度在区区5分钟内发生了变化。而这个黑洞的事件视界(也就是时空的边界面,在这之内看不到任何事件)只是日地间距的3倍,也就是4.5亿千米。光线至少需要25分钟才能走过这样的距离。

来自巴塞罗那高能物理研究所(IFAE)的朱利安·西塔雷克(Julian Sitarek)说:“任何天体都无法在短于光线穿越时标的时间里让整个表面增亮。”而MAGIC的发言人、来自慕尼黑马普物理所的拉兹米克·米尔佐扬(Razmik Mirzoyan)补充道:“所以,发出伽玛射线辐射的区域必须要比黑洞的事件视界小很多。”

不露风头的小星星:IC 310(如箭头所示)是英仙星系团的一部分,该星系团由数千个星系系统组成。IC 310拥有一个活动星系核,在射电波段是一个强辐射源。

这意味着天文学家看起来使用MAGIC望远镜详尽观测了这个黑洞。但是IC 310中心区域的引力陷阱有什么特殊之处呢?

星系中心黑洞的质量从太阳的数百万倍到数十亿倍不等。如果物质落入了这些天体中,就会偶然在整个电磁波段上导致强有力的辐射爆发。这样的活动星系核(AGN)会产生所谓的喷流,其中的气体会以接近光速的速度被吹向宇宙中,就好像是从喷嘴中喷出的一样。

英仙座的IC 310是此类AGN。早在2009年,费米卫星与MAGIC望远镜就已经在该星系系统中发现了高能辐射。但是是什么导致了辐射时标超短的变化呢?

星系的假彩色图像:上图展示了伽玛射线能段的IC 310。插图是使用欧洲VLBI网在射电波段观测到的,放大了星系的中心区域,展示了喷流的细节。等高线描述了喷流的结构,它始于IC 310核心黑洞附近

研究者假设,IC 310核心的黑洞在快速自转着,它的周围包裹着磁场。马普物理所的所长Masahiro Teshima说:“在极区,看上去存在强电场,它们将粒子加速到了相对论性速度,因此产生了高能辐射,最终在与低能粒子相互作用后,产生了快速变化的伽玛射线。”

来自维尔茨堡(Würzburg)大学的卡尔·曼海姆(Karl Mannheim)说:“你可以将它想象为雷暴中的闪电。”没过几分钟,闪电就会释放积累在尺度与太阳系相当的区域内的能量。在这样的过程中,相对论性粒子(也就是速度接近光速的粒子)被抛射到了星系的外围区域。

米尔佐扬说:“当我们在高能段观测黑洞时,我们看到的是星系核深处。可以说我们正在尝试着直接观测中心的结构。”

辐射机制:旋转的黑洞诱发了磁场(以红线表示)。在磁场的极区(黄色区域)存在强烈的电场,这里将粒子加速到相对论性速度,因此产生了高能辐射,在与低能粒子相互作用后,产生了光变时标很短的伽玛射线。

在埃菲尔斯伯格(Effelsberg)100米射电望远镜的帮助下,欧洲的VLBI网络以极高的分辨率观测过星系中心的喷流。来自波恩(Bonn)马普射电天文所的爱德华多·罗斯(Eduardo Ros)说:“MAGIC与VIBI网之间的补充关系为我们提供了观看这个庞大天体独特的视角”

根据米尔佐扬的观点,对IC 310的观测提供了初步的证据,说明喷流是如何在黑洞附近形成的。而MAGIC的高灵敏度让获取这样的结果成为了可能。对这样的研究来说,它是最为合适的一架成像切伦科夫望远镜了。 

MAGIC坐落在加那利群岛拉帕尔马的穆查丘斯岩(Roque de los Muchachos)。该仪器由两架望远镜组成,每架口径为17米,也是世界上测量甚高能光子规模最大的仪器之一。它接收的是能量在25 GeV到50 TeV之间的宇宙伽玛射线。中性伽玛射线穿透地球大气,会诱发次级粒子雪崩反应,后者发出蓝色的切伦科夫光。MAGIC通过拍摄切伦科夫闪光的立体图像,研究着河内外的辐射源。

望远镜系统是由庞大的欧洲合作组运营的,合作组成员包括来自德国、西班牙、意大利、瑞士、波兰、芬兰、保加利亚、克罗地亚以及印度和日本的大约160位研究者。

欧洲VLBI网是欧洲、中国与非洲的射电望远镜以及其他合作者之间的国际合作项目,合作者包括波恩的马普射电天文所。

(全文完)

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