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银河系中心黑洞首张照片发布,未来还将有黑洞“电影”释出

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北京时间5月12日晚21时左右,中国科学院上海天文台和事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,下文简称为EHT,事件视界即光线也无法逃脱的黑洞边界)组织共同发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sagittarius A*:Sgr A*)的首张照片——一个被环状明亮发光气体包围的暗弱中心区域,便构成了本身不发光的黑洞存在的直接视觉证据。这是人类获得的第一张位于银河系中心的黑洞照片。不仅如此,环的大小与爱因斯坦广义相对论预测结果一致。

银河系中心黑洞的首张照片,图片来自EHT合作组织
银河系中心黑洞的首张照片,图片来自EHT合作组织

照片上显现出的光,实为黑洞的强大引力弯曲所致。据了解,人马座A*黑洞距离地球约2.7万光年,质量约为太阳质量的430万倍。EHT组织对人马座A*开展了多个晚上的观测,每次连续采集了好几个小时的数据,并将采用不同计算方法得到的数千张图像平均生成主图。

公开资料显示,EHT是目前世界上唯一一个可以对黑洞成像的实验设备。EHT组织是由346名全球各地的科学家组成的跨国团队,他们将8台射电望远镜组成了一个等效于地球口径的虚拟望远镜阵列,这8台望远镜分别位于美国、西班牙、墨西哥、智利和南极洲。其中,美国夏威夷的JCMT望远镜,是中国参与运行的一个望远镜,不少中国科学家在此处进行观测。

人类的望远镜并不是第一次对准银河系中心。因为在上世纪90年代证实了银河系中心的超大质量黑洞射手座A*(400万倍太阳质量)的存在,德国马克斯·普朗克地外物理研究所所长 Reinhard Genzel和美国洛杉矶加利福尼亚大学教授Andrea Ghez共同获得2020年诺贝尔物理学奖的一半。他们通过各种望远镜发现了一个质量非常大但看不见的天体:在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量,使周边恒星急速旋转。

而直到2019年,EHT组织才发布了人类第一张黑洞照片,捕获了来自5500万光年之外的更遥远星系M87中央黑洞M87*(65亿倍太阳质量)的照片。尽管两个黑洞看起来格外相似,但人马座A*黑洞相比起M87*黑洞的体积和质量,均少了1500多倍。来自阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家、EHT科学委员会联合主席Sera Markoff教授表示,“这告诉我们靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配,我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的”。

虽然人马座A*质量更小、离地球更近,但此次成果却比证明M87*的存在要艰难。来自斯图尔德天文台、亚利桑那大学天文系和数据科学所的EHT科学家Chi-kwan Chan解释称,“黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着人马座A*和M87*高速旋转。气体绕转M87*一周需要几天到数周时间,但对于相对小很多的人马座A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着就在EHT观测人马座A*之时,该超大质量黑洞周围绕转气体的亮度和图案也在时刻快速变化着。有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片”。

因此,人马座A*的黑洞照片是研究团队从2017年观测数据中提取出上千张照片、并使用不同计算方法平均后的效果。最终照片保留了在所有不同图像中更常见的特征,并抑制了不常见的特征。

上述数千张不同图像的集合被依据它们相似的特征分成四个子集。图底部一排显示的是每个子集的平均代表性图像。其中三个子集的图像都呈环状结构,只是环状周围的亮度分布不同。第四个子集包含的图像尽管也能与数据吻合,但看上去不像个环。

银河系中心黑洞的首张照片的合成过程,图片来自EHT合作组织
银河系中心黑洞的首张照片的合成过程,图片来自EHT合作组织

柱状图显示了属于每个子集的图像的相对数量。前三个子集中每个都有数千张照片,而第四个也是最小的子集中只有数百张照片。柱状图的高度代表每个子集对最终照片的相对“权重”或贡献。

来自上海天文台的EHT合作成员江悟表示:“研究团队遍历了极大的成像参数空间,才得以确定这张黑洞照片。”另据上海天文台披露,观测数据无法线上进行传播,只能存储在硬盘上,整箱整箱运至位于美国和德国的研究所进行处理,此后再由包括上海天文台等合作机构进行数据的后相关处理及成像。

在拥有两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片的基础上,科学家将可以进一步更深入地检验极端环境下的引力。他们已经开始用这些新的数据来检验超大质量黑洞周围气体行为的相关理论和模型。目前这个过程尚不完全清楚但被认为对星系的形成和演化起了关键作用。

未来,EHT组织还将进行更多的探索。据中科院上海天文台沈志强介绍,2022年3月EHT将囊括更多天文台的望远镜,对包括银心黑洞在内的诸多黑洞进行更全面、更清晰的观测与成像,预计未来还将发布银心黑洞的偏振图像。

“拍摄这样一部银河系中心黑洞的‘电影’,是下一代EHT的追求。”沈志强还称,“我们正在规划建设中国的亚毫米波VLBI望远镜,以期参与到对人马座A*的24小时不间断的接力观测中。”

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