2019 年，事件地平線望遠鏡（EHT）發布了有史以來第一張黑洞圖像–位於室女座M87 星系中心的超大質量黑洞，也被稱為室女座A 或NGC 4486。 現在，這個宇宙巨行星再次給科學家帶來了驚喜，它發出了強烈的伽馬射線耀斑，其能量是可見光的數十億倍。 這樣強大的爆發已經有十多年沒有出現過了，它為了解電子和正電子等粒子如何在黑洞的極端環境中加速提供了寶貴的線索。

哈伯太空望遠鏡拍攝的巨型星系M87 的影像顯示，一股長達3000 光年的等離子體噴流從該星系擁有65 億個太陽質量的中央黑洞噴射而出。 資料來源：NASA、ESA、STScI、Alec Lessing（史丹佛大學）、Mike Shara（AMNH）、Edward Baltz（史丹佛大學）、Joseph DePasquale（STScI）

事件視界望遠鏡顯示的超大質量黑洞（中心）位於M87星系的中心。 中心附近的短直線特徵是黑洞產生的噴流。 資料來源：美國國家航空暨太空總署

利用事件視界望遠鏡，科學家獲得了位於M87星系中心的黑洞影像，在事件視界附近強大引力的影響下，黑洞周圍旋轉的熱氣體發出的輻射勾勒出了黑洞的輪廓。 圖片來源：EHT

發現高能耀斑

從M87 中心噴射出來的能量比事件視界或黑洞本身的表面大七個數量級，即數千萬倍。 明亮的高能量爆發遠遠超過了電波望遠鏡通常從黑洞區域探測到的能量。 耀斑持續了大約三天，可能來自一個不到三光天大小的區域，不到150億英里。

了解伽瑪射線

伽馬射線是一種電磁能量包，也稱為光子。 伽瑪射線是電磁波譜中能量最大的波長，由宇宙中最熱、能量最高的環境產生，例如黑洞周圍的區域。 M87的伽馬射線耀斑中的光子能階高達幾個太電子伏特。 太電子伏特用來測量亞原子粒子的能量，相當於一隻蚊子運動時的能量。 對於比蚊子小幾萬億倍的粒子來說，這是一個巨大的能量。 具有幾太電子伏特能量的光子比構成可見光的光子能量大得多。

伽馬射線耀斑的光變曲線（下圖）和2018 年活動期間用射電和X 射線獲得的不同比例的M87 噴射準模擬影像集（上圖）。 每幅影像的左上方顯示了儀器、波長觀測範圍和比例尺。 資料來源：EHT 協作小組、Fermi-LAT 協作小組、HESS 協作小組、MAGIC 協作小組、VERITAS 協作小組、EAVN 協作小組

當物質向黑洞墜落時，會形成一個吸積盤，其中的粒子會因重力位能的損失而加速。 在強磁場的驅動下，有些粒子甚至會被重新引導到遠離黑洞兩極的方向，形成一種被稱為”噴流”的強大外流。 這個過程是不規則的，通常會引起一種被稱為”耀斑”的快速能量爆發。 然而，伽瑪射線無法穿透地球大氣層。 近70 年前，物理學家發現，伽馬射線撞擊大氣層時產生的二次輻射可以從地面偵測到。

加州大學洛杉磯分校博士後研究員金衛東（Weidong Jin）說：”我們仍然不完全了解粒子是如何在黑洞附近或噴流內部被加速的，”他是一個國際作者團隊在《天文學與天體物理學》（Astronomy & Astrophysics）上發表的一篇描述這些發現的論文的通訊作者。 ” 這些粒子能量巨大，它們的速度接近光速，我們希望了解它們在哪裡以及如何獲得這樣的能量。我們的研究提供了有史以來為這個星系收集到的最全面的光譜數據，並通過建模揭示了這些過程”。

金參與分析了資料集中能量最高的部分，即超高能量伽馬射線，這部分資料是由VERITAS收集的，VERITAS是一種地面伽馬射線儀器，在亞利桑那州南部的弗雷德-勞倫斯-惠普爾天文台（Fred Lawrence Whipple Observatory）運行。 加州大學洛杉磯分校在VERITAS（Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System 的縮寫）的建造過程中發揮了重要作用，參與了讀取望遠鏡感測器的電子設備的開發，以及用於分析望遠鏡數據和望遠鏡性能的電腦模擬望遠鏡性能的電腦模擬望遠鏡性能的軟體的開發。 這種分析有助於探測耀斑，因為耀斑的光度變化很大，與基線變化有很大的不同。

二十多個引人注目的地面和太空觀測設施，包括美國國家航空暨太空總署的費米-LAT、哈伯太空望遠鏡、 NuSTAR、錢德拉和斯威夫特望遠鏡，以及世界上三個最大的成像大氣切倫科夫望遠鏡陣列（VERITAS， HESS和MAGIC）在2018年加入了第二次EHT和多波長活動。 這些天文台分別對X 射線光子以及高能量和超高能量伽馬射線非常敏感。

這項研究中使用的關鍵數據集之一叫做光譜能量分佈。

“光譜描述了來自天文源（如M87）的能量如何在不同波長的光中分佈，”金說。 “這就好比把光分成彩虹，然後測量每種顏色的能量含量。這項分析有助於我們揭示驅動超大質量黑洞噴流中高能粒子加速的不同過程”。

論文作者的進一步分析發現，環（也稱為事件穹界）的位置和角度與噴流位置有顯著差異。 這顯示粒子與事件穹界之間存在物理關係，不同大小尺度的粒子會影響噴流的位置。

金說：”M87黑洞最顯著的特徵之一是一個從內核延伸數千光年的雙極噴流。這項研究提供了一個獨特的機會來研究耀斑期間高能伽馬射線發射的起源，並確定導致耀斑的粒子被加速的位置。

編譯自/ ScitechDaily