有多難“拍”？人類成功獲得銀河系中心黑洞首張照片全過程

銀河系中心黑洞的首張照片是這樣做成的。EHT合作組織提供

繼2019年人類歷史首張黑洞照片發(fā)布后，又一張黑洞靚照來了！北京時(shí)間5月12日21時(shí)07分，銀河系中心黑洞人馬座A*（Sgr A*）的首張照片在中科院上海天文臺(tái)揭開了面紗。

全球其他5個(gè)城市（比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國臺(tái)北、日本東京、美國華盛頓）也都與上海同步公布了這張令天文學(xué)家興奮的照片。

《天體物理學(xué)雜志通信》于5月12日以特刊的形式，通過10篇論文發(fā)表了有關(guān)黑洞照片的這一重大結(jié)果。這個(gè)黑洞距離地球有二萬七千光年之遙，質(zhì)量超過了太陽質(zhì)量的四百萬倍。

Sgr A*是黑洞有了“實(shí)錘”

這張黑洞照片是由“事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）”項(xiàng)目組織實(shí)施獲得的。EHT把地球上的8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡組合起來，形成了一個(gè)口徑如地球大小的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，為科學(xué)家們提供了研究宇宙中最極端天體的新手段。

黑洞是一種密度極大的天體，具有非常強(qiáng)的引力，在它周圍的一定區(qū)域內(nèi)，連光也無法逃逸出去，這一區(qū)域的最大邊界被稱為“事件視界”。實(shí)際上，EHT觀測(cè)的就是黑洞的“事件視界”。

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)不可見的、致密的且質(zhì)量極大的天體運(yùn)動(dòng)。今天發(fā)布的照片就給出了該天體就是黑洞的實(shí)證，為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。

因?yàn)榫嚯x地球?qū)嵲谔h(yuǎn)，這個(gè)黑洞的大小看上去與從地球上看38萬千米遠(yuǎn)月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給它拍這張照片，EHT對(duì)Sgr A*開展了多次夜間的觀測(cè)，每次連續(xù)采集好幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，如同相機(jī)的長時(shí)間曝光。

這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠(yuǎn)星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。

盡管M87*比我們銀河系中心的黑洞大1500多倍，也重1500多倍，但兩個(gè)黑洞看起來格外相似。

“它們來自兩種不同類型的星系，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)，它們看起來神奇地相似。”來自阿姆斯特丹大學(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，“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)處所看到的不同表象是由黑洞周圍物質(zhì)的差異造成的。”

比人類首張黑洞照片更難“拍”

盡管Sgr A*離我們更近，這張照片“拍起來”要比人類首張黑洞照片艱難得多。

來自斯圖爾德天文臺(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：“黑洞周圍的氣體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)相對(duì)小很多的Sgr A*來說，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*時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時(shí)刻快速變化著，有點(diǎn)像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。”

來自中科院上海天文臺(tái)的EHT合作成員路如森說：“確實(shí)，對(duì)銀河系中心黑洞首次成像觀測(cè)的數(shù)據(jù)分析耗費(fèi)了EHT合作團(tuán)隊(duì)的巨大心血。”另一位來自上海天文臺(tái)的EHT合作成員江悟補(bǔ)充道：“研究團(tuán)隊(duì)遍歷了極大的成像參數(shù)空間，才得以確定這張黑洞照片。”

科學(xué)家對(duì)最終獲得兩個(gè)不同大小黑洞的照片尤其興奮，這為他們的對(duì)照研究提供了條件。他們已經(jīng)開始用這些新的數(shù)據(jù)來檢驗(yàn)超大質(zhì)量黑洞周圍氣體行為的相關(guān)理論和模型。

未來EHT的觀測(cè)研究的腳步不會(huì)停止，科學(xué)家的野心是在不久的將來拍攝一部黑洞“電影”。

“拍攝一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求。”來自中科院上海天文臺(tái)的EHT合作國內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)說，“我們正在規(guī)劃建設(shè)中國的亞毫米波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。”

陸成寬