天文学家捕捉到著名超大质量黑洞M87发出了一次惊人伽马射线耀斑

摘要：在浩瀚宇宙中，室女座星系M87中心的超大质量黑洞一直是科学界关注的焦点。2019年，事件视界望远镜（EHT）发布了这个黑洞的首张照片，举世震惊。而此后，该黑洞又有了新的惊人发现——太电子伏特伽马射线耀斑。这种耀斑发出的光子能量极为强大，比我们日常所见的可见光高

在浩瀚宇宙中，室女座星系M87中心的超大质量黑洞一直是科学界关注的焦点。2019年，事件视界望远镜（EHT）发布了这个黑洞的首张照片，举世震惊。而此后，该黑洞又有了新的惊人发现——太电子伏特伽马射线耀斑。这种耀斑发出的光子能量极为强大，比我们日常所见的可见光高出数十亿倍。如此高强度的耀斑在过去十多年都未曾被观测到，这一发现为研究黑洞附近粒子的加速机制提供了宝贵线索。

M87星云，亦称为Virgo A或NGC 4486，是一个位于室女座的椭圆星系，距离我们大约5000万到6500万光年。这个星系以其中心的超大质量黑洞而闻名，其质量约为太阳的65亿倍，并且这个黑洞是2019年人类首次直接拍摄到的黑洞影像的主角。M87的中心区域发出强烈的辐射，是一个活跃的星系核，这种活跃性归因于黑洞吸积盘的活动。M87是天文学家研究黑洞、喷流以及星系演化的重要对象，并且在射电、红外、可见光、X射线和伽马射线等多个波段都展现出强烈的辐射，使其成为多波段天文学研究的焦点。

M87中心喷射出的喷流规模极其庞大，其大小是黑洞本身事件视界或表面的七百万倍。此次高能辐射爆发的亮度远超射电望远镜以往在黑洞区域探测到的能量水平。耀斑持续了大约三天，其源头可能来自一个小于三个光日（约略小于150亿英里）的区域。这一发现有助于科学家进一步确定耀斑产生的具体位置和相关特性。

伽马射线作为电磁能量包，也就是光子，在电磁谱中拥有最高能量。它们产生于宇宙中极端炽热且能量高度集中的环境，比如黑洞周边区域。M87黑洞的伽马射线耀斑中，光子能量高达数太电子伏特。太电子伏特是用于衡量亚原子粒子能量的单位，形象地说，这个能量相当于一只蚊子运动时的能量，但对于比蚊子小数万亿倍的粒子而言，这是极其巨大的能量。与构成可见光的光子相比，这些伽马射线光子的能量有着天壤之别。

当物质向黑洞坠落时，会形成一个吸积盘。在这个过程中，粒子因失去引力势能而加速，部分粒子会在黑洞两极磁场的作用下，形成强大的外流，即“喷流”。这个过程充满变数，常常导致快速的能量爆发，也就是“耀斑”。不过，伽马射线无法穿透地球大气层。大约70年前，物理学家发现可以通过观测伽马射线撞击大气层时产生的次级辐射，从地面探测伽马射线，这为研究伽马射线提供了可能的途径。

加州大学洛杉矶分校的博士后研究员魏东金在相关研究中发挥了重要作用。他在对数据集最高能量部分（非常高能量的伽马射线）的分析工作中有突出贡献。这些数据由VERITAS收集，VERITAS是位于亚利桑那州南部弗雷德劳伦斯惠浦尔天文台的地面伽马射线仪器。加州大学洛杉矶分校在VERITAS的建设过程中参与了多项关键工作，包括开发读取望远镜传感器的电子设备，以及研制分析望远镜数据和模拟望远镜性能的计算机软件。通过这些工作和相关分析，成功检测到耀斑，从数据表现上看，是与基线变异显著偏离的大亮度变化。

在2018年的第二次EHT和多波段活动中，众多知名的地面和空间观测设施协同合作。其中包括NASA的费米-LAT、哈勃太空望远镜、NuSTAR、钱德拉和斯威夫特望远镜等20多个观测设施，还有世界上三个最大的成像大气切连科夫望远镜阵列——VERITAS、H.E.S.S.和MAGIC。这些观测设施各有所长，对X射线光子以及高能和非常高能量的伽马射线都十分敏感，它们从不同角度对M87黑洞进行探测，为全面了解黑洞特性提供了丰富的数据。

该研究使用的关键数据集之一是光谱能量分布。光谱就如同一个精密的探测器，能够展示像M87这样的天文源的能量在不同波长光中的分布情况。可以将其类比为把光分解成彩虹，然后测量每种颜色中所含的能量。通过这种分析方法，有助于揭示推动超大质量黑洞喷流中高能粒子加速的复杂过程。