2019 年，事件地平线望远镜（EHT）发布了有史以来第一张黑洞图像--位于室女座 M87 星系中心的超大质量黑洞，也被称为室女座 A 或 NGC 4486。 现在，这个宇宙巨行星再次给科学家们带来了惊喜，它发出了强烈的伽马射线耀斑，其能量是可见光的数十亿倍。 这样强大的爆发已经有十多年没有出现过了，它为了解电子和正电子等粒子如何在黑洞的极端环境中加速提供了宝贵的线索。
哈勃太空望远镜拍摄的巨型星系 M87 的图像显示，一股长达 3000 光年的等离子体喷流从该星系拥有 65 亿个太阳质量的中央黑洞喷射而出。 资料来源：NASA、ESA、STScI、Alec Lessing（斯坦福大学）、Mike Shara（AMNH）、Edward Baltz（斯坦福大学）、Joseph DePasquale（STScI）
事件视界望远镜显示的超大质量黑洞（中心）位于 M87星系的中心。 中心附近的短直线特征是黑洞产生的喷流。 资料来源：美国国家航空航天局
利用事件视界望远镜，科学家们获得了位于 M87星系中心的黑洞图像，在事件视界附近强大引力的影响下，黑洞周围旋转的热气体发出的辐射勾勒出了黑洞的轮廓。 图片来源：EHT
发现高能耀斑
从 M87 中心喷射出来的能量比事件视界或黑洞本身的表面大七个数量级，即数千万倍。 明亮的高能爆发远远超过了射电望远镜通常从黑洞区域探测到的能量。 耀斑持续了大约三天，可能来自一个不到三光天大小的区域，即不到150亿英里。
了解伽马射线
伽马射线是一种电磁能量包，也称为光子。 伽马射线是电磁波谱中能量最大的波长，由宇宙中最热、能量最高的环境产生，例如黑洞周围的区域。 M87的伽马射线耀斑中的光子能级高达几个太电子伏特。 太电子伏特用于测量亚原子粒子的能量，相当于一只蚊子运动时的能量。 对于比蚊子小几万亿倍的粒子来说，这是一个巨大的能量。 具有几太电子伏能量的光子比构成可见光的光子能量大得多。
伽马射线耀斑的光变曲线（下图）和 2018 年活动期间用射电和 X 射线获得的不同比例的 M87 喷射准模拟图像集（上图）。 每幅图像的左上方显示了仪器、波长观测范围和比例尺。 资料来源：EHT 协作组、Fermi-LAT 协作组、H.E.S.S. 协作组、MAGIC 协作组、VERITAS 协作组、EAVN 协作组
当物质向黑洞坠落时，会形成一个吸积盘，其中的粒子会因引力势能的损失而加速。 在强磁场的驱动下，一些粒子甚至会被重新引向远离黑洞两极的方向，形成一种被称为"喷流"的强大外流。 这个过程是不规则的，通常会引起一种被称为"耀斑"的快速能量爆发。 然而，伽马射线无法穿透地球大气层。 近 70 年前，物理学家发现，伽马射线撞击大气层时产生的二次辐射可以从地面探测到。
加州大学洛杉矶分校博士后研究员金卫东（Weidong Jin）说："我们仍然不完全了解粒子是如何在黑洞附近或喷流内部被加速的，"他是一个国际作者团队在《天文学与天体物理学》（Astronomy & Astrophysics）上发表的一篇描述这些发现的论文的通讯作者。"这些粒子能量巨大，它们的速度接近光速，我们希望了解它们在哪里以及如何获得这样的能量。 我们的研究提供了有史以来为这个星系收集到的最全面的光谱数据，并通过建模揭示了这些过程"。
金参与分析了数据集中能量最高的部分，即超高能伽马射线，这部分数据是由VERITAS收集的，VERITAS是一种地面伽马射线仪器，在亚利桑那州南部的弗雷德-劳伦斯-惠普尔天文台（Fred Lawrence Whipple Observatory）运行。 加州大学洛杉矶分校在 VERITAS（Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System 的缩写）的建造过程中发挥了重要作用，参与了读出望远镜传感器的电子设备的开发，以及用于分析望远镜数据和模拟望远镜性能的计算机软件的开发。 这种分析有助于探测耀斑，因为耀斑的光度变化很大，与基线变化有很大的不同。
二十多个引人注目的地面和空间观测设施，包括美国国家航空航天局的费米-LAT、哈勃太空望远镜、 NuSTAR、钱德拉和斯威夫特望远镜，以及世界上三个最大的成像大气切伦科夫望远镜阵列（VERITAS， H.E.S.S.和MAGIC）在2018年加入了第二次EHT和多波长活动。 这些天文台分别对 X 射线光子以及高能和超高能伽马射线非常敏感。
这项研究中使用的关键数据集之一叫做光谱能量分布。
"光谱描述了来自天文源（如 M87）的能量如何在不同波长的光中分布，"金说。"这就好比把光分成彩虹，然后测量每种颜色的能量含量。 这项分析有助于我们揭示驱动超大质量黑洞喷流中高能粒子加速的不同过程"。
论文作者的进一步分析发现，环（也称为事件穹界）的位置和角度与喷流位置存在显著差异。 这表明粒子与事件穹界之间存在物理关系，不同大小尺度的粒子会影响喷流的位置。
金说："M87黑洞最显著的特征之一是一个从内核延伸数千光年的双极喷流。这项研究提供了一个独特的机会来研究耀斑期间高能伽马射线发射的起源，并确定导致耀斑的粒子被加速的位置。 我们的发现有助于解决关于地球上探测到的宇宙射线起源的长期争论。"
编译自/ScitechDaily
