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首张银河系中心黑洞照片公布,还是一个甜甜圈……

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就在刚刚,咱家银河系的超大质量黑洞——“人马座A*”(Sagittarius A*,Sgr A*)终于有了它的第一张写真!

银河系中心超大黑洞人马座A*的首张照片 | EHT Collaboration

这张特殊的“写真”来自2.7万光年之外的银河系中心,是中国科学院上海天文台联合发布的人马座A*超大质量黑洞成像成果,由事件视界望远镜项目(Event Horizon Telescope, EHT)拍摄。

距离第一次发布黑洞“写真”,已经过去3年了。

此次拍摄的人马座A*是距离地球最近的超大质量黑洞,延续了M87星系黑洞的“甜甜圈”外观,但更加蓬松迷你。虽然这张照片上的它看起来气质平平,却凝结着全球众多科学家近20年的期盼和努力。

此前科学界普遍认为人马座A*应该是一个超大质量黑洞,但毕竟只是基于数据推测,还有科学家认为人马座A*可能只是一种特殊的暗物质团。而今,随着黑洞成像的释出,质疑终于被冲散。


阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)正在仰望银河系,图中标明了人马座A*的位置,它是我们银河系中心的超大质量黑洞 | ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration

这次成像不仅为银河系中心存在超大质量黑洞提供了确凿证据,更意味着天文观测技术取得巨大突破,是全球不容错过的历史时刻。

但问题也来了——明明人马座A*距地球最近,为什么先成像的却是更遥远的 M87星系黑洞?

原因很简单,因为前者成像更难。

为人马座A*拍“写真”,难在哪里?

人马座A*黑洞距离地球仅2.7万光年,与5500万光年外的M87星系黑洞相比,可以说得上是近在咫尺,但拍摄它却并非易事。

飞向人马座A*黑洞 | ESO/L. Calçada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, VISTA, VVV Survey/D. Minniti DSS, Nogueras-Lara et al., Schoedel, NACO, GRAVITY Collaboration, EHT Collaboration (Music: Azul Cobalto)

作为一个拥有吞天噬地技能的黑洞,人马座A*并未展现出它应有的“事业心”,大概1000年才能吞噬一倍太阳质量的物质,开疆扩土的效率仅是M87星系黑洞的百分之一。如此低的活跃性,导致它的吸积盘光芒较弱,很难被望远镜捕获。


模拟气体在人马座A*黑洞外围的圆形轨道上以大约30% 的光速旋转运动 | ESO/Gravity Consortium/L. Calçada

人马座A*黑洞的 “佛系”,还体现在它的质量上——只相当于太阳的400万倍,这样的体型在超大质量黑洞界过于娇小了。因为体型太小,围绕人马座A*黑洞旋转的物质运动速度也更快。

M87星系黑洞的质量有太阳的65亿倍之多,它的半径更是人马座A*黑洞的1500倍以上。相比之下,人马座A*黑洞的事件视界小而暗淡,对事件视界望远镜的观测提出了更高的要求。

好在,人马座A*离我们也更近,因此在最终的照片上,两个黑洞看起来差不多同样大小。


两张黑洞照片的对比:左为2019年人类首张黑洞照片,展示了M87星系中心的超大质量黑洞;右为今天公布的银河系中心半人马A* | EHT

成像困难也不全是人马座A*自己的锅,周围环境也给拍摄带来了很大干扰

古诗有云,客泛灵槎犯斗牛,银河碧海暗通流。人马座A*黑洞所在的银河系中心区域,星光缭绕,尘埃密布,会遮挡射电望远镜的观测视线。


大量炽热气体形成一个旋涡, 标明了银河系中心人马座A*黑洞的大致位置 | NASA、ESA、SSC、CXC、STScI

此外,人马座A*黑洞还开启了“防偷拍”模式。恒星爆炸和超大质量黑洞外流将气体加热到数百万度,炽热的气体云和星际尘埃围绕着黑洞运动,不时发出独特闪光将黑洞隐没其中。

韦布空间望远镜人马座A*观测团队的首席研究员法尔哈德‧尤瑟-泽德(Farhad Yusef-Zadeh)称:“在已知的超大质量黑洞中,银河系中心黑洞是唯一有这种独特闪光的,虽然不利于拍摄,但使人马座A*有了更多科学趣味。”

这些特性增加了人马座A*黑洞的成像难度,却也呈现了一道梦幻绮丽的风景,这是咱家银河系黑洞独有的魅力。

能为世界带来什么?

人马座A*黑洞的直接成像是一项突破性的天文观测成果,但对于EHT来讲,这只是他们计划中的第一个小目标,是在为探索黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播作准备。


艺术家绘制的超大质量黑洞的高速喷流示意图 | ESA/Hubble, L.Calçada (ESO)

接下来的研究中,最受瞩目的当属对爱因斯坦广义相对论的验证。比如,我们是否能拍摄到气体绕转黑洞的动态过程?黑洞是已知宇宙中最极端的环境,其对光线的引力透镜效应是检验爱因斯坦相对论的方法之一。


黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象 | 环球网

未来,咱家银河系中最强的引力场——人马座A*黑洞,将继续作为探索爱因斯坦广义相对论的理想试验场。

科学家们对获得了两个大小非常不同的黑洞图像非常兴奋,他们希望借此机会进一步测试重力现象在黑洞极端环境中的表现,缩小广义相对论的计算误差,为引力物理学带来全新突破。


恒星 S2非常接近人马座A*黑洞时的运行路径,强引力场导致它变成微红色(颜色效果和大小经过特殊处理) | ESO/M.Kornmesser

“一开始可能会产生更多的问题,而不是答案”,现任 EHT科学委员会副主席塞拉·马尔科夫(Sera Markoff )在去年的采访中说。

未来的研究道路还很漫长,探索宇宙的终极奥秘才是黑洞研究的星辰大海,也许成效并不会在一朝一夕中得见,但一定值得我们期待。

黑洞成像背后的功臣

最后,让我们把目光投向这张写真的拍摄者、黑洞成像的最大功臣——事件视界望远镜。

这是一个以观测星系中心超大质量黑洞为主要目标的计划,由来自世界各地80个研究所的300多名研究人员共同完成,其中有17位来自中国内地

EHT通过超长基线干涉(VLBI)技术,将世界各地的多个射电望远镜整合成一个虚拟望远镜,等效口径等同于地球大小,拥有超高分辨率与灵敏度,如此才能为黑洞拍摄“写真”。


2019年拍摄M87星系黑洞的8个射电望远镜及天文台 | Ewan O’Sullivan; Iztok Boncina /ESO; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla; Sean Goebel; Joint Astronomy Centre; Sean Goebel


2022年,事件视界望远镜的观测阵列已扩大到了11个台站 | Thalia Traianou/EHT

为什么人马座A*是一个黑洞,事件视界望远镜却依然可以“看”到它?

通常情况下,被黑洞捕获的物质沿着螺旋形的轨道坠入黑洞,这些物质在强大的引力下加速剧烈摩擦,释放大量电磁波,勾勒出黑洞的阴影。望远镜拍摄到的,并非黑洞本身,而是它的“影分身”


阿塔卡马探路者实验望远镜坐落在智利安第斯山脉的查南托高原,银河系在天空中看起来像一团微弱发光的云,人马座A*黑洞就潜伏在其中心 | Tafreshi/TWAN

EHT项目在M87黑洞首次成像后,就提出了下一代EHT计划(即next generation EHT,ngEHT),希望在地球上布设更多的亚毫米波望远镜,增加观测灵敏度及频率覆盖等,来提升黑洞成像的质量与速度,以拍摄更清晰的黑洞图像和第一部黑洞视频。

中国西部地区晴朗干燥辽阔,具备优良的观测条件,如果未来能够布设亚毫米波望远镜,或许能为观测提供独特的基线覆盖。

事件视界望远镜就是这样拍摄黑洞照片的 | EHT

我们和黑洞一样,都是茫茫宇宙的一部分,同享或长或短的时光。求索真理是人类能做的最崇高的事情,即便钻研科学的过程是漫长、艰苦的,但科学回馈的价值却是永恒珍贵的。

黑洞“写真”仅仅是一个开始,关于宇宙的更多奥秘,我们下个发现见!

作者:张卓越、王国燕

编辑:Steed

一个AI

不过是又一个甜甜圈嘛……




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