5月12日晚，視覺(jué)望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)鏡(EHT)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)發(fā)布了超大黑洞SHRA*的照片。這是EHT合作組織在2019年發(fā)布第一張人類(lèi)黑洞照片(M87*照片)后的又一個(gè)重大突然事件。
科學(xué)家之前已觀測(cè)到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個(gè)不可見(jiàn)的、致密的且質(zhì)量極大的天體運(yùn)動(dòng)。這強(qiáng)烈暗示著這個(gè)被稱(chēng)作人馬座A*（Sgr A*）的天體是一個(gè)黑洞，它的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，距離我們約2.7萬(wàn)光年。此次發(fā)布的照片則提供了首個(gè)直接的視覺(jué)證據(jù)。
兩個(gè)不同大小黑洞的照片為科學(xué)家的對(duì)照研究提供了條件。他們已經(jīng)開(kāi)始用新的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)超大質(zhì)量黑洞周?chē)鷼怏w行為的相關(guān)理論和模型。目前這個(gè)過(guò)程尚不完全清楚，但被認(rèn)為對(duì)星系的形成和演化起了關(guān)鍵作用。
銀河系中心黑洞的首張照片。EHT合作組織供圖
問(wèn)題1：什么是超大質(zhì)量黑洞？
黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體。任何物質(zhì)，包括光也無(wú)法從它身邊逃離。黑洞是我們所知的其大小與質(zhì)量成正比的唯一天體，兩個(gè)直徑相差一千倍的黑洞，它們的質(zhì)量也相差一千倍。
幾乎所有的星系中心都存在黑洞，它們可以成長(zhǎng)為數(shù)百萬(wàn)或者數(shù)十億倍的太陽(yáng)質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量的不同，黑洞一般分為恒星級(jí)黑洞（100倍太陽(yáng)質(zhì)量以下）、中等質(zhì)量黑洞（100倍-百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（百萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）。
上海天文臺(tái)研究員路如森介紹，按照現(xiàn)在的了解，目前銀河系中只有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，銀河系中的大部分黑洞都是恒星級(jí)黑洞。
問(wèn)題2：“事件視界望遠(yuǎn)鏡”如何給黑洞拍照片？
黑洞幾乎所有質(zhì)量都集中在最中心的“奇點(diǎn)”處，并在周?chē)纬梢粋€(gè)強(qiáng)大的引力場(chǎng)，在一定范圍之內(nèi)，連光線都無(wú)法逃脫。光線不能逃脫的臨界范圍被稱(chēng)為黑洞的半徑或“事件視界”，也叫“視界面”。
銀河系中心黑洞距離地球約2.7萬(wàn)光年，它的大小看上去與從地球上看38萬(wàn)千米遠(yuǎn)月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給黑洞拍照片，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了觀測(cè)利器——事件視界望遠(yuǎn)鏡EHT。
“事件視界望遠(yuǎn)鏡”是世界上第一個(gè)能捕捉黑洞圖像的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。2017年4月，EHT對(duì)Sgr A*開(kāi)展了多個(gè)晚上的觀測(cè)，每次連續(xù)采集了好幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，就如同相機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間曝光。
落向黑洞的氣體會(huì)環(huán)繞黑洞運(yùn)動(dòng)，黑洞強(qiáng)大的引力讓它們看起來(lái)像包裹著黑洞，導(dǎo)致黑洞視界猶如一個(gè)剪影呈現(xiàn)在公眾面前，其大小和形狀已經(jīng)被愛(ài)因斯坦的理論所預(yù)測(cè)。
在波長(zhǎng)約1毫米的無(wú)線電波下，運(yùn)動(dòng)的氣體顯得最為明亮，一個(gè)“貪吃”的黑洞就這樣“露出馬腳”。無(wú)線電波雖然很弱，但可以不被阻擋地從星系中心傳遞到地球上射電望遠(yuǎn)鏡的眼中。
然而，要想看到這種光波，必須建造一座和地球一樣大的射電望遠(yuǎn)鏡。事件視界望遠(yuǎn)鏡是由分布在全球6地的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的虛擬望遠(yuǎn)鏡。每個(gè)望遠(yuǎn)鏡都會(huì)記錄來(lái)自黑洞附近的無(wú)線電波，隨后科學(xué)家將這些數(shù)據(jù)組合起來(lái)，形成超大質(zhì)量黑洞視界的圖像。
當(dāng)今，人們手中最精準(zhǔn)的每一億年只會(huì)慢一秒的原子鐘被用來(lái)完成這一任務(wù)。觀測(cè)期間所記錄的數(shù)據(jù)量龐大到不可能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸，只能將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，再整箱運(yùn)回中央主機(jī)進(jìn)行處理。投入的望遠(yuǎn)鏡越多，且兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡越遠(yuǎn)，圖像越清晰。
參與2017年EHT觀測(cè)的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡分別是ALMA（阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列）、APEX（阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡）、IRAM 30米望遠(yuǎn)鏡、JCMT（詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡）、LMT（大型毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SMA（亞毫米波陣列）、SMT（亞毫米波望遠(yuǎn)鏡）、SPT（南極望遠(yuǎn)鏡）。這些年來(lái)，EHT又有新的望遠(yuǎn)鏡加入，包括GLT（格陵蘭望遠(yuǎn)鏡）、NOEMA（北方擴(kuò)展毫米陣列）和基特峰12米望遠(yuǎn)鏡。
問(wèn)題3：銀河系中心黑洞有什么特征？
要保證分布在全球各地的8個(gè)望遠(yuǎn)鏡都能看到這兩個(gè)黑洞，觀測(cè)窗口期非常短暫，每年只有大約10天，2017年只有4月5日到4月14日合適。
2017年觀測(cè)的主要是兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞，一是銀河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。之所以選定這兩個(gè)黑洞作為觀測(cè)目標(biāo)，是因?yàn)樗鼈兊囊暯缑嬖诘厍蛏峡雌饋?lái)比較大。
Sgr A*的發(fā)現(xiàn)歸功于兩位天文學(xué)家Bruce Balick和Robert L.Brown，他們?cè)?974年發(fā)表了一篇論文，描述了位于銀河系中心的一個(gè)明亮的射電源。Sgr A*黑洞的質(zhì)量大約相當(dāng)于400萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)，所對(duì)應(yīng)的視界面尺寸約為2400萬(wàn)公里，相當(dāng)于17個(gè)太陽(yáng)直徑大小。
問(wèn)題4：為何銀河系中心黑洞成像用了這么長(zhǎng)時(shí)間？
Sgr A*和M87*同為2017年4月觀測(cè)，M87*照片已經(jīng)于2019年4月發(fā)布。據(jù)悉，盡管Sgr A*離地球更近，這項(xiàng)成果的得來(lái)卻比M87*艱難。
來(lái)自斯圖爾德天文臺(tái)、亞利桑那大學(xué)天文系和數(shù)據(jù)科學(xué)所的EHT科學(xué)家Chi-kwan Chan解釋道：“黑洞周?chē)臍怏w均以幾乎接近光速繞著Sgr A*和M87*高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87*一周需要幾天到數(shù)周時(shí)間，但對(duì)于相對(duì)小很多的Sgr A*來(lái)說(shuō)，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著在EHT觀測(cè)Sgr A*之時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周?chē)@轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時(shí)刻快速變化著。這有點(diǎn)像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。”為此，研究人員開(kāi)發(fā)新的復(fù)雜的工具來(lái)考慮圍繞Sgr A*的氣體運(yùn)動(dòng)。
“打個(gè)比方，我們平常生活中給靜態(tài)的物體拍照很輕松，給快速運(yùn)動(dòng)的物體拍照就考驗(yàn)技術(shù)和水平。”上海天文臺(tái)副研究員江悟舉例說(shuō)，給Sgr A*拍照的背景仿佛是風(fēng)起云涌的天氣，時(shí)刻在變化，M87*的背景則是風(fēng)輕云淡，拍出來(lái)的照片很相似。因此，Sgr A*的黑洞照片是研究團(tuán)隊(duì)提取出的不同照片平均后的效果。
除了開(kāi)發(fā)復(fù)雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，研究團(tuán)隊(duì)還花了五年時(shí)間，用超級(jí)計(jì)算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫(kù)與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)。
問(wèn)題5：銀河系中心黑洞照片長(zhǎng)什么樣？
黑洞不發(fā)光，所以人們看不見(jiàn)黑洞本身，但繞轉(zhuǎn)的發(fā)光氣體給出了其存在的信號(hào)：一個(gè)被亮環(huán)狀結(jié)構(gòu)圍繞的暗弱中心區(qū)域（陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由黑洞的強(qiáng)大引力彎曲所致。
江悟解釋說(shuō)，最終照片是通過(guò)將數(shù)千張使用不同計(jì)算方法得到的圖像平均起來(lái)生成的，其保留了所有不同圖像中更常見(jiàn)的特征，抑制了不常見(jiàn)的特征。“數(shù)千張不同圖像的集合根據(jù)它們相似的特征分成四個(gè)子集，其中三個(gè)子集中每個(gè)都有數(shù)千張照片，其圖像都呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，只是環(huán)狀周?chē)牧炼确植疾煌５谒膫€(gè)子集只有數(shù)百?gòu)堈掌膱D像看上去不像個(gè)環(huán)。”
所以，最終平均得來(lái)的照片是一個(gè)明顯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，中心是有暗弱的陰影。這也印證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言。
銀河系中心的黑洞比M87*直徑小了1500多倍，也輕了1500多倍，但兩個(gè)黑洞看起來(lái)格外相似。“它們來(lái)自兩種不同類(lèi)型的星系，且具有極不相同的黑洞質(zhì)量，但當(dāng)我們聚焦在這些黑洞的邊緣時(shí)，它們看起來(lái)神奇的相似。”來(lái)自阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、EHT科學(xué)委員會(huì)聯(lián)合主席Sera Markoff教授說(shuō)，“這告訴我們，靠近黑洞的物體完全受廣義相對(duì)論支配，我們?cè)谶h(yuǎn)處看到的不同表象是由黑洞周?chē)镔|(zhì)的差異造成的”。
問(wèn)題6：照片有何意義？未來(lái)EHT觀測(cè)有哪些后續(xù)計(jì)劃？
目前，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始用新的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)超大質(zhì)量黑洞周?chē)鷼怏w行為的相關(guān)理論和模型。“我們已有了兩個(gè)質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比過(guò)去，我們將可以進(jìn)一步更深入地檢驗(yàn)極端環(huán)境下的引力”。來(lái)自天文與天體物理研究所的EHT科學(xué)家Keiichi Asada表示。
上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)沈志強(qiáng)介紹，今年3月份，EHT剛完成了有更多望遠(yuǎn)鏡參與的聯(lián)合觀測(cè)。目前，國(guó)際團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始謀劃推動(dòng)下一代視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目ngEHT，希望通過(guò)更多天線臺(tái)站的加入，提升目前EHT的陣列性能，獲得更清晰的超大質(zhì)量黑洞的照片。
除了靜態(tài)照片，ngeHT還預(yù)計(jì)將在未來(lái)拍攝黑洞動(dòng)態(tài)電影。他說(shuō)，這種電影不是每個(gè)人在電影院看的電影。目前，黑洞的每一幀都有很大的變化。科學(xué)家們希望不斷地拍攝它們，形成高質(zhì)量的圖像動(dòng)畫(huà)。
“我們正在規(guī)劃建設(shè)中國(guó)的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對(duì)Sgr A*的24小時(shí)不間斷的接力觀測(cè)中。”沈志強(qiáng)說(shuō)。
新京報(bào)記者 張璐
編輯 白爽 校對(duì) 趙琳
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