六個問題看懂銀河系中心黑洞首張照片,未來如何拍黑洞「電影」?

5月12日晚,事件視界望遠鏡(EHT)項目和中國科學院上海天文台公佈了銀河系中心超大質量黑洞Sgr A*的首張照片。這是EHT合作組織繼2019年發佈人類第一張黑洞照片(M87*照片)之後的又一重大突破。

科學家之前已觀測到眾多的恆星圍繞著銀河系中心一個不可見的、緻密的且質量極大的天體運動。這強烈暗示著這個被稱作人馬座A*(Sgr A*)的天體是一個黑洞,它的質量是太陽質量的400萬倍,距離我們約2.7萬光年。此次發佈的照片則提供了首個直接的視覺證據。

兩個不同大小黑洞的照片為科學家的對照研究提供了條件。他們已經開始用新的數據檢驗超大質量黑洞周圍氣體行為的相關理論和模型。目前這個過程尚不完全清楚,但被認為對星系的形成和演化起了關鍵作用。

銀河系中心黑洞的首張照片。EHT合作組織供圖

問題1

什麼是超大質量黑洞?

黑洞是一種本身不發光的神秘天體。任何物質,包括光也無法從它身邊逃離。黑洞是我們所知的其大小與質量成正比的唯一天體,兩個直徑相差一千倍的黑洞,它們的質量也相差一千倍。

幾乎所有的星系中心都存在黑洞,它們可以成長為數百萬或者數十億倍的太陽質量。根據質量的不同,黑洞一般分為恆星級黑洞(100倍太陽質量以下)、中等質量黑洞(100倍-百萬倍太陽質量)和超大質量黑洞(百萬倍太陽質量以上)。

上海天文台研究員路如森介紹,按照現在的了解,目前銀河系中只有一個超大質量黑洞,銀河系中的大部分黑洞都是恆星級黑洞。

問題2

「事件視界望遠鏡」如何給黑洞拍照片?

黑洞幾乎所有質量都集中在最中心的「奇點」處,並在周圍形成一個強大的引力場,在一定範圍之內,連光線都無法逃脫。光線不能逃脫的臨界範圍被稱為黑洞的半徑或「事件視界」,也叫「視界面」。

銀河系中心黑洞距離地球約2.7萬光年,它的大小看上去與從地球上看38萬千米遠月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給黑洞拍照片,研究團隊創建了觀測利器——事件視界望遠鏡EHT。

「事件視界望遠鏡」是世界上第一個能捕捉黑洞圖像的實驗設備。2017年4月,EHT對Sgr A*開展了多個晚上的觀測,每次連續採集了好幾個小時的數據,就如同相機的長時間曝光。

落向黑洞的氣體會環繞黑洞運動,黑洞強大的引力讓它們看起來像包裹著黑洞,導致黑洞視界猶如一個剪影呈現在公眾面前,其大小和形狀已經被愛因斯坦的理論所預測。

在波長約1毫米的無線電波下,運動的氣體顯得最為明亮,一個「貪吃」的黑洞就這樣「露出馬腳」。無線電波雖然很弱,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鏡。事件視界望遠鏡是由分佈在全球6地的8個射電望遠鏡組成的虛擬望遠鏡。每個望遠鏡都會記錄來自黑洞附近的無線電波,隨後科學家將這些數據組合起來,形成超大質量黑洞視界的圖像。

當今,人們手中最精準的每一億年只會慢一秒的原子鐘被用來完成這一任務。觀測期間所記錄的數據量龐大到不可能通過互聯網傳輸,只能將數據存儲在硬碟上,再整箱運回中央主機進行處理。投入的望遠鏡越多,且兩台望遠鏡越遠,圖像越清晰。

參與2017年EHT觀測的8個望遠鏡分別是ALMA(阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列)、APEX(阿塔卡馬探路者實驗望遠鏡)、IRAM 30米望遠鏡、JCMT(James·Clark·麥克斯韋望遠鏡)、LMT(大型毫米波望遠鏡)、SMA(亞毫米波陣列)、SMT(亞毫米波望遠鏡)、SPT(南極望遠鏡)。這些年來,EHT又有新的望遠鏡加入,包括GLT(格陵蘭望遠鏡)、NOEMA(北方擴展毫米陣列)和基特峰12米望遠鏡。

問題3

銀河系中心黑洞有什麼特徵?

要保證分佈在全球各地的8個望遠鏡都能看到這兩個黑洞,觀測窗口期非常短暫,每年只有大約10天,2017年只有4月5日到4月14日合適。

2017年觀測的主要是兩個超大質量黑洞,一是銀河系中心黑洞Sgr A*,二是位於星系M87中的黑洞。之所以選定這兩個黑洞作為觀測目標,是因為它們的視界面在地球上看起來比較大。

Sgr A*的發現歸功於兩位天文學家Bruce Balick和Robert L.Brown,他們在1974年發表了一篇論文,描述了位於銀河系中心的一個明亮的射電源。Sgr A*黑洞的質量大約相當於400萬個太陽,所對應的視界面尺寸約為2400萬公里,相當於17個太陽直徑大小。

問題4

為何銀河系中心黑洞成像用了這麼長時間?

Sgr A*和M87*同為2017年4月觀測,M87*照片已經於2019年4月發佈。據悉,儘管Sgr A*離地球更近,這項成果的得來卻比M87*艱難。

來自斯圖爾德天文台、亞利桑那大學天文系和數據科學所的EHT科學家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。氣體繞轉M87*一周需要幾天到數周時間,但對於相對小很多的Sgr A*來說,幾分鐘內氣體即可繞轉一周。這意味著在EHT觀測Sgr A*之時,該超大質量黑洞周圍繞轉氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化著。這有點像給一隻正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。」為此,研究人員開發新的複雜的工具來考慮圍繞Sgr A*的氣體運動。

「打個比方,我們平常生活中給靜態的物體拍照很輕鬆,給快速運動的物體拍照就考驗技術和水平。」上海天文台副研究員江悟舉例說,給Sgr A*拍照的背景彷彿是風起雲湧的天氣,時刻在變化,M87*的背景則是風輕雲淡,拍出來的照片很相似。因此,Sgr A*的黑洞照片是研究團隊提取出的不同照片平均後的效果。

除了開發複雜的工具來克服Sgr A*成像面臨的挑戰外,研究團隊還花了五年時間,用超級計算機合成和分析數據,編纂了前所未有的黑洞模擬資料庫與觀測結果進行嚴格比對。

問題5

銀河系中心黑洞照片長什麼樣?

黑洞不發光,所以人們看不見黑洞本身,但繞轉的發光氣體給出了其存在的信號:一個被亮環狀結構圍繞的暗弱中心區域(陰影)。照片上顯現出的(射電)光都是由黑洞的強大引力彎曲所致。

江悟解釋說,最終照片是通過將數千張使用不同計算方法得到的圖像平均起來生成的,其保留了所有不同圖像中更常見的特徵,抑制了不常見的特徵。「數千張不同圖像的集合根據它們相似的特徵分成四個子集,其中三個子集中每個都有數千張照片,其圖像都呈環狀結構,只是環狀周圍的亮度分佈不同。第四個子集只有數百張照片,包含的圖像看上去不像個環。」

所以,最終平均得來的照片是一個明顯的環狀結構,中心是有暗弱的陰影。這也印證了愛因斯坦廣義相對論的預言。

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量,但當我們聚焦在這些黑洞的邊緣時,它們看起來神奇的相似。」來自阿姆斯特丹大學的理論天體物理學家、EHT科學委員會聯合主席Sera Markoff教授說,「這告訴我們,靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配,我們在遠處看到的不同表象是由黑洞周圍物質的差異造成的」。

問題6

照片有何意義?未來EHT觀測有哪些後續計劃?

目前,科學家已經開始用新的數據來檢驗超大質量黑洞周圍氣體行為的相關理論和模型。「我們已有了兩個質量相差1500倍以上的黑洞的照片,相比過去,我們將可以進一步更深入地檢驗極端環境下的引力」。來自天文與天體物理研究所的EHT科學家Keiichi Asada表示。

上海天文台台長沈志強介紹,今年3月份,EHT剛完成了有更多望遠鏡參與的聯合觀測。目前,國際團隊已經開始謀划推動下一代視界望遠鏡項目ngEHT,希望通過更多天線台站的加入,提升目前EHT的陣列性能,獲得更清晰的超大質量黑洞的照片。

除了靜態照片,未來ngEHT還預期拍攝黑洞的動態電 影。他說,這種電 影並非大家在影院中所看的電 影,目前黑洞每一幀畫面都有很大的變化,科學家希望能夠把它們連續拍攝下來,形成高質量的圖像動畫。

「我們正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI望遠鏡,以期參與到對Sgr A*的24小時不間斷的接力觀測中。」沈志強說。

新京報記者 張璐

編輯 白爽 校對 趙琳

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