Im Einklang mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie werden die neuesten Forschungsergebnisse zum Schwarzen Loch M87 in Nature veröffentlicht

Am 27. September veröffentlichte das Nature-Magazin die neuesten Forschungsergebnisse eines internationalen wissenschaftlichen Forschungsteams bestehend aus 45 Institutionen. Durch die Analyse von Beobachtungsdaten aus den Jahren 2000 bis 2022 wurde festgestellt, dass der Jet des Schwarzen Lochs im Zentrum der M87-Galaxie einen periodischen Schwung mit einer Schwingungsperiode von etwa 11 Jahren und einer Amplitude von etwa 10 Grad aufweist. Dieses Phänomen steht im Einklang mit der Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, dass „wenn sich das Schwarze Loch in einem rotierenden Zustand befindet, es einen Referenzrahmen-Widerstandseffekt verursacht.“ Dieses Forschungsergebnis liefert starke Beobachtungsbeweise für die Existenz des Spins des Schwarzen Lochs M87 (Abbildung 1). Cui Yuzhu, Postdoktorand am Zhijiang Laboratory, ist der Erstautor und korrespondierende Autor des Artikels.

Abbildung 1 Schematische Darstellung des geneigten Akkretionsscheibenmodells. Nehmen Sie an, dass die Drehachse des Schwarzen Lochs vertikal nach oben zeigt, die Richtung des Strahls fast senkrecht zur Oberfläche der Akkretionsscheibe verläuft und zwischen der Drehachse des Schwarzen Lochs und der Rotationsachse der Akkretion ein bestimmter Winkel besteht Scheibe, die ein geneigtes Akkretionsscheibenmodell ist. Der Winkel zwischen den Drehimpulsrichtungen des Schwarzen Lochs und der Akkretionsscheibe löst die Präzession der Akkretionsscheibe und des Jets aus. (Quelle: Yuzhu Cui et al. 2023, Intouchable Lab@Openverse und Zhijiang Laboratory)

Die periodische Präzession des Jets wurde erfolgreich erfasst

Am 10. April 2019 gaben Astronomen aus vielen Orten auf der ganzen Welt gleichzeitig bekannt, dass The erstes Foto eines Schwarzen Lochs. Sie befindet sich im Zentrum der nahegelegenen Galaxie M87, 55 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt, und ist 6,5 Milliarden Mal massereicher als die Sonne. Solche supermassereichen Schwarzen Löcher gehören zu den mysteriösesten und zerstörerischsten Objekten im Universum. Ihre Schwerkraft ist enorm und sie „fressen“ eine große Menge Materie durch die Akkretionsscheibe, gleichzeitig „spucken“ sie die Materie mit hoher Geschwindigkeit, die nahezu der Lichtgeschwindigkeit entspricht, Tausende von Lichtjahren entfernt aus Jets.

„Ein seltsamer gerader Strahl ging aus der Mitte eines dunstigen Lichtflecks.“ Im Jahr 1918 beobachteten Astronomen erstmals Jets in M87, den ersten von Menschen beobachteten kosmischen Jet. Was ist der Energieübertragungsmechanismus zwischen supermassereichen Schwarzen Löchern, Akkretionsscheiben und Jets? Diese Frage beschäftigt Physiker und Astronomen seit mehr als einem Jahrhundert.

Derzeit geht die von Wissenschaftlern weithin akzeptierte Theorie davon aus, dass der Drehimpuls von Schwarzen Löchern die Energiequelle ist. Eine Möglichkeit besteht darin, dass, wenn in der Nähe des Schwarzen Lochs ein Magnetfeld vorhanden ist und sich das Schwarze Loch in einem rotierenden Zustand befindet, ein elektrisches Feld wie ein Leiter erzeugt wird, der magnetische Feldlinien schneidet, wodurch die ionisierte Materie um das Schwarze Loch herum beschleunigt wird und schließlich Ein Teil der Materie wird mit enormer Energie herausgeschleudert. Unter ihnen ist der Spin supermassiver Schwarzer Löcher ein Schlüsselfaktor in dieser Theorie. Die Spinparameter eines Schwarzen Lochs sind jedoch äußerst schwer zu messen, und es gibt immer noch keinen direkten Beobachtungsbeweis dafür, ob sich das Schwarze Loch in einem rotierenden Zustand befindet.

Um dieses herausfordernde Problem zu untersuchen, untersuchten Forscher das supermassereiche Schwarze Loch und seine Jets im Zentrum der M87-Galaxie. Mithilfe der Very Long Baseline Interferometry (VLBI) mit ultrahoher Winkelauflösung haben Astronomen die Jet-Struktur sehr nahe am Schwarzen Loch aufgelöst. Durch die Analyse der VLBI-Beobachtungsdaten von 2000 bis 2022 gelang es den Forschern, die periodische Präzession des Jets in M87 zu erfassen (Abbildung 2) (Präzession: Auf einen rotierenden starren Körper wirkt eine äußere Kraft ein, die dazu führt, dass sich seine Rotationsachse um die Rotation dreht Phänomen in einem bestimmten Zentrum).

Welche Kraft kann die Richtung dieses mächtigen Strahls regelmäßig ändern? Nach ausführlicher Analyse kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass die Antwort auf das Problem möglicherweise in den dynamischen Eigenschaften der Akkretionsscheibe verborgen liegt. Materialien mit einem bestimmten Drehimpuls werden das Schwarze Loch umkreisen und eine Akkretionsscheibe bilden. Aufgrund der Schwerkraft des Schwarzen Lochs nähern sie sich dem Schwarzen Loch weiter, bis sie irreversibel in das Schwarze Loch „angesaugt“ werden. Allerdings kann der Drehimpuls der Akkretionsscheibe durch verschiedene Zufallsfaktoren beeinflusst werden und es ist sehr wahrscheinlich, dass er einen bestimmten Winkel mit der Drehachse des Schwarzen Lochs einnimmt. Die superstarke Schwerkraft des Schwarzen Lochs wird jedoch einen erheblichen Einfluss auf die umgebende Raumzeit haben und dazu führen, dass Objekte in der Nähe entlang der Rotationsrichtung des Schwarzen Lochs gezogen werden, was dem von Einsteins General vorhergesagten „Referenzrahmen-Drag-Effekt“ entspricht Relativitätstheorie und löst so Akkretion aus. Die Scheibe und die Jets präzedieren periodisch.

Umgeschriebener Inhalt: Den Forschungsergebnissen von Yuzhu Cui et al. (2023) zufolge zeigt Abbildung 2 die verschmolzene Jet-Struktur von M87 alle zwei Jahre von 2013 bis 2018 (Beobachtungsfrequenzband ist 43 GHz). Das entsprechende Jahr ist in der oberen linken Ecke jeder Unterfigur markiert. Der weiße Pfeil zeigt den Strahlpositionswinkel an. Die folgende Grafik zeigt die beste Anpassung, basierend auf Bildern, die auf Jahresbasis von 2000 bis 2022 zusammengeführt wurden. Die grünen und blauen Punkte repräsentieren Daten im 22-GHz- bzw. 43-GHz-Beobachtungsfrequenzband. Die rote Linie stellt das beste Anpassungsergebnis gemäß dem Präzessionsmodell dar

Das Forschungsteam führte auf Basis der Beobachtungsergebnisse eine Vielzahl detaillierter theoretischer Untersuchungen und Analysen durch und nutzte Supercomputer, kombiniert mit den Eigenschaften von M87, um neueste numerische Simulationen durchzuführen. Die Ergebnisse numerischer Simulationen bestätigen, dass bei einem Winkel zwischen der Rotationsachse der Akkretionsscheibe und der Drehachse des Schwarzen Lochs die gesamte Akkretionsscheibe aufgrund des Widerstandseffekts des Bezugssystems präzediert und der Jet ebenfalls von der Akkretionsscheibe beeinflusst werden. Die Erkennung der Präzession des Jets kann starke Beobachtungsbeweise für die Drehung des Schwarzen Lochs im Zentrum von M87 liefern und zu neuen Erkenntnissen über die Eigenschaften supermassiver Schwarzer Löcher führen.

Um weitere Geheimnisse der Schwarzen Löcher zu enthüllen, ist rechnerische Hilfe erforderlich

„Wir sind sehr glücklich und glücklich, diese große Entdeckung im Jahr 2017 machen zu können, als ich die EAVN-Daten der M87-Galaxie verarbeitete „Mir ist aufgefallen, dass sich die Jet-Struktur erheblich von früheren Anweisungen unterschied. Von diesem Zeitpunkt an begannen wir sechs Jahre lang mit detaillierter Datenverarbeitung, umfangreichen theoretischen Studien und unzähligen Diskussionen mit Mitarbeitern“, sagte Cui Yuzhu, ein Postdoktorand am Zhijiang-Labor Der Winkel zwischen der Drehachse des Schwarzen Lochs und dem Drehimpuls der Akkretionsscheibe ist klein und die Präzessionsperiode überschreitet zehn Jahre. Es wurden 23 Jahre hochauflösende Daten gesammelt und die Struktur von M87 wurde sorgfältig analysiert Cui Yuzhu sagte, dass wir für die Hilfe und Unterstützung vieler Mitarbeiter sowie für die wertvollen Meinungen von Zeitschriftenherausgebern und Gutachtern sehr dankbar seien. Es ist erwähnenswert, dass einer der Rezensenten unseres Artikels James Moran ist, eine Legende auf dem Gebiet der VLBI-Radioastronomieforschung. Sehr lange 170 Beobachtungsdaten von mehreren internationalen Beobachtungsnetzwerken, darunter das Baseline Array (VLBA), das südkoreanische KVN und das japanische VERA Joint Array (KaVA) sowie das gemeinsame EATING-Beobachtungsnetzwerk von Ostasien bis Italien/Russland. Mehr als 20 Radioteleskope Die Welt lieferte diesen Forschungsbeitrag.

Abbildung 3 Verteilung der an diesem Artikel beteiligten Teleskope im ostasiatischen VLBI-Netzwerk (Quelle: Kazuhiro Hada, Yuzhu Cui et al. 2023)

EAVN-Koordinator der wissenschaftlichen Arbeitsgruppe für aktive galaktische Kerne Dr. Motoki Kino von der Nihon Kogakuin-Universität sagte: „Dies ist ein aufregender wissenschaftlicher Meilenstein. Dank jahrelanger gemeinsamer Beobachtungen von Forschern aus 45 Institutionen auf der ganzen Welt haben wir dieses wissenschaftliche Geheimnis endlich gelüftet. Die Beobachtungsdaten und die Vorhersagen der Präzession.“ Das Modell passte perfekt und hat unser Verständnis von Schwarzen Löchern und Jet-Systemen erheblich erweitert. „Basierend auf dieser Arbeit sagen wir voraus, dass es im Zentrum von Galaxien viel mehr Schwarze Löcher mit ähnlich geneigten Akkretionsscheiben gibt „Gekippte Scheiben stehen vor größeren Herausforderungen. Es gibt immer noch viele Rätsel, die langfristigere Beobachtungen und detailliertere Analysen erfordern.“ Der Forscher Shen Zhiqiang vom Shanghai Astronomical Observatory der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ist eine wichtige kooperierende Einheit für diese Leistung. „ Das 40-Meter-Radioteleskop Shigatse des Shanghai-Observatoriums, dessen Bau vor Kurzem begonnen hat, wird nach seiner Fertigstellung die hochauflösenden Millimeterwellen-Bildbeobachtungsfähigkeiten von EAVN weiter verbessern und voraussichtlich zu weiteren astronomischen Entdeckungen führen.“

Cui Yuzhu sagte, dass die Feinstruktur und der genaue Spinwert der Akkretionsscheibe des supermassiven Schwarzen Lochs M87 noch weiter untersucht werden müssen. Diese weitere Forschung basiert auf der Suche nach einer sehr großen Anzahl physikalischer Parameter und erfordert die Unterstützung superintelligenter Rechenleistung.

Derzeit hat das Zhijiang Laboratory die offene Plattform für intelligente Computerastronomie FAST@ZJLAB entwickelt, die 17 intelligente Algorithmen zum Aufbau von BlinkVerse „blinkverse.alkaidos.cn“, ChemiVerse in Bereichen wie schnelle Radiostöße und Astrochemie und anderen zusammenführt wissenschaftliche Datenbanken und hat mit China Sky Eye FAST einen stabilen Übertragungskanal eingerichtet, und astronomische Big Data werden weiterhin gesammelt.

Li Yan, leitender Wissenschaftler von China Sky Eye FAST und leitender Wissenschaftler für astronomisches Rechnen am Zhejiang-Labor, sagte, dass mit dem Bau immer mehr Radioteleskope die Beobachtungsdaten explodieren und die astronomische Forschung immer wichtiger werde. Umso mehr Unterstützung wird für intelligentes Rechnen benötigt. Das Zhijiang Laboratory führt künstliche Intelligenz, Cloud Computing und andere Technologien in die astronomische Forschung ein, um die Effizienz der Datenverarbeitung zu verbessern und den Forschungsraum physikalischer Parameter zu erweitern. Wir glauben, dass die tiefe Integration von Computerwissenschaften und Radioastronomie die Enthüllung der Natur mysteriöser Phänomene im Universum wie Schwarzer Löcher effektiv fördern wird

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonIm Einklang mit den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie werden die neuesten Forschungsergebnisse zum Schwarzen Loch M87 in Nature veröffentlicht. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!