利用引力透镜看见罕见黑洞内部的一瞥

【博科园-科学科普】可观测的宇宙是一个非常大的地方，直径大约有910亿光年。因此天文学家需要靠强大的仪器去看远处的物体。但即使是这些有时也是有限的，必须与一种被称为引力透镜的技术相结合。这需要依靠物质（星系或恒星）的大质量分布来放大来自遥远物体的光。

引力透镜的技术依赖于观察者和物体之间存在大质量物质，以放大来自该物体的光。图片版权：NASA

利用这项技术，由加州理工学院(加州理工学院)欧文斯谷射电天文台(OVRO)的研究人员领导的一个国际团队能够观察到从遥远星系的超大质量黑洞喷射出的热气流(称为PKS 1413 + 135)。这一发现提供了迄今为止从超大质量黑洞中心(SMBH)中经常探测到的热气体类型的最佳观点。

在8月15日出版的《天体物理学杂志》上发表了两篇研究报告。他们都是由加州理工学院的博士后学者Harish Vedantham领导的，也是由安东尼·瑞德海德领导的国际项目的一部分，该项目由安东尼·瑞德海德(Anthony Readhead)领导，他是天文学的名誉教授也是OVRO的董事。

欧文斯谷电台(OVRO)位于加州毕肖普附近——是世界上最大的大学无线电天文台之一。图片版权：caltech / ovro

这个OVRO项目自2008年以来一直很活跃，通过它的40米望远镜观测了1800个活跃的SMBHs和它们各自的星系。这些观测是为了支持NASA的费米伽马射线太空望远镜，该望远镜在同一时期对这些星系和它们的SMBHs进行了类似的研究。

正如研究小组在他们的两项研究中所指出的，这些观测提供了一种新的洞见，这些物质会周期性地从超大质量黑洞中喷射出来，同时也为引力透镜研究打开了新的可能性。正如维丹瑟姆博士在最近的一份加州理工学院的新闻声明中指出的那样：

已经知道了这些物质的存在，这些物质沿着黑洞喷射流，它们接近光的速度，但对它们的内部结构或发射方式知之甚少。有了像这样的透镜系统，我们可以看到黑洞“中央引擎”的团块比以前更详细了。

虽然所有大型星系都被认为在星系中心有一个SMBH，但并不是所有的星系都有热气体伴随它们。这种射流的存在与一个活跃的星系核(AGN)有关，这是一个位于星系中心的致密区域，在许多波长上都特别明亮——包括无线电、微波、红外线、光学、紫外线、x射线和伽玛射线辐射。

插图显示了OVRO发现的引力透镜系统的可能设计。图片版权：Anthony Readhead / Caltech / MOJAVE

这些喷射物是被拉向SMBH物质的结果，其中一些以热气体的形式被喷射出来。这些喷流中的物质以接近光速的速度传播，这些喷流的活动周期从1到1000万年不等。大多数情况下黑洞喷发是相对稳定的，每隔几年他们就会吐出更多的热物质。

早在2010年OVRO的研究人员注意到PKS 1413 + 135的无线电排放物已经亮起，褪色，然后在一年的时间里重新变亮了。2015年，他们注意到了同样的行为，并进行了详细的分析。在排除了其他可能的解释之后，他们得出结论，整体的光亮可能是由两个高速的物质从黑洞中喷射出来造成的。

这些块状物沿着喷射流飞行，当它们经过引力透镜后，它们就被放大了，它们是用来观测的。这个发现是相当偶然的，也是多年天文研究的结果。正如加州理工学院(Caltech)的高级研究科学家、论文的合著者蒂莫西·皮尔森(Timothy Pearson)解释的那样：已经观测了大量的星系，以发现这个物体的亮度对称的dips，指向一个引力透镜的存在。我们现在正在努力寻找其他的数据，试图找到类似的物体，可以给星系核放大的视野。

在银河系中心的活动星系核(AGN)的表示概念图。图片版权：NASA/CXC/M.Weiss

对于国际团队的观察，令人兴奋的是他们使用的“透镜”的性质。在过去科学家们依靠巨大的透镜(即整个星系)或由单个恒星组成的微透镜。然而由Vedantham博士和Readhead博士领导的研究小组依赖于他们所描述的大约一万倍太阳质量的“毫透镜”。

这可能是历史上第一个依赖于中型透镜的研究，他们认为这种透镜很可能是星团。一个毫米大小的透镜的优点之一是它不够大，不足以阻挡光的整个光源，使它更容易发现较小的物体。有了这个新的引力透镜系统，据估计天文学家将能够观察到比以前小100倍的鳞片。

看到的团块离中心黑洞很近，而且很小只有几光年的距离，这些微小的物质以接近光速的速度移动，在前景螺旋星系中被一个引力透镜放大。这提供了精确的百万分之一秒的弧线，这相当于从地球上观察月球上的一粒盐。

更重要的是研究人员指出，透镜本身具有科学的兴趣，原因很简单，在这个质量范围内不太了解物体。因此这个潜在的星团可以作为一种实验室，让研究人员有机会研究引力的millilensing，同时也可以清晰地看到从活动星系核流出的核流。

位于加州毕晓普附近的欧文斯谷无线电天文台(OVRO)的40米望远镜图像，图片版权：Anthony Readhead/Caltech

展望未来研究小组希望用另一种被称为“长期基线干涉测量法”的技术来证实他们的研究结果。这将包括来自世界各地的射电望远镜拍摄的PKS 1413 + 135和它的中心的SMBH。考虑到迄今为止他们所观察到的情况，这个SMBH可能会在几年时间内(到2020年)吐出另一团物质。

Vedantham,Readhead和他们的同事计划为这次活动做好准备。发现下一个clump不仅验证了他们最近的研究，还验证了他们用来进行观测的毫透镜技术。正如Readhead所指出的那样，我们不能像欧文斯谷广播天文台那样，在没有大学的情况下进行这样的研究，在那里我们有时间把一个大型望远镜专门用于一个项目。

由NASA、国家科学基金会(NSF)、史密森学会(Smithsonian Institution)、中央研究院(Sinica)、芬兰科学院(Academy of The Academy of芬兰)和智利中央情报局(The智利Centro de Excelencia y Tecnologias Afines)(CATA)提供的资金，这些研究才得以实现。

参考：加州理工学院，天体物理学杂志