銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬光年之遙，它的大小從地球上看去與從地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要給它成像，就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而才能確保“看得到”“看得清”。

路如森

中國科學(xué)院上海天文臺研究員

繼2019年人類首張黑洞照片發(fā)布后，又一黑洞的“真容”被拍攝到!北京時間5月12日，中國科學(xué)院上海天文臺公布了銀河系中心黑洞人馬座A*(SgrA*)的首張照片。全球其他5個城市(比利時布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國臺北、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。

這張黑洞照片是由事件視界望遠(yuǎn)鏡(EHT)合作組織，通過分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成，它的發(fā)布給出了銀河系中心人馬座A*就是黑洞的實證，為理解這種被普遍認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”提供了寶貴的線索。

“組合”全球射電望遠(yuǎn)鏡為黑洞拍照

因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見黑洞自身，但繞轉(zhuǎn)黑洞的發(fā)光氣體給出了其存在的信號。

廣義相對論預(yù)言，黑洞存在，周圍時空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過程中，引力能轉(zhuǎn)化為光和熱，因此氣體被加熱至數(shù)十億攝氏度。黑洞就像沉浸在一片類似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，看起來就像一片陰影，陰影周圍環(huán)繞著一個由吸積或噴流輻射造成的、如新月狀的光環(huán)。

“完成對黑洞的成像，將為證明黑洞的存在提供直接的視覺證據(jù)。”中國科學(xué)院上海天文臺研究員路如森表示，銀河系中心黑洞距離地球有2.7萬光年之遙，它的大小從地球上看去與從地球上看月亮上的甜甜圈差不多。要給它成像，就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而才能確保“看得到”“看得清”。

想要達(dá)到上述要求，望遠(yuǎn)鏡的口徑就需要達(dá)到地球直徑的長度。然而，目前地球上已有的單個望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米。沒有地球那么大的望遠(yuǎn)鏡，如何才能給黑洞拍張合格的照片?天文學(xué)家想到了一個好辦法——強強聯(lián)合。EHT合作組織將分布在全球6個地理位置的8個射電望遠(yuǎn)鏡“組合”起來，形成一個猶如地球那么大的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，它的靈敏度和分辨力都是前所未有的。

2017年，這8個北至西班牙，南至南極的望遠(yuǎn)鏡向選定的目標(biāo)撒出一張“大網(wǎng)”，“撈”回海量數(shù)據(jù)，為我們勾勒出黑洞的模樣。但留給科學(xué)家的觀測窗口期非常短暫，每年只有大約10天時間。

除了觀測時間上的限制，拍攝黑洞對天氣條件的要求也極為苛刻。“因為大氣中的水對這一觀測波段的影響極大，水會影響射電波的強度，這就意味著降水會干擾觀測。”中國科學(xué)院上海天文臺臺長、研究員沈志強說。

因此這8個望遠(yuǎn)鏡所在之處均位于海拔較高、降雨量極少、晴天概率非常高的地區(qū)。

此外，要成功成像還必須要求所有望遠(yuǎn)鏡在時間上完全同步。觀測期間，每一個射電望遠(yuǎn)鏡都收集并記錄來自目標(biāo)黑洞附近的射電波信號，這些數(shù)據(jù)被集成用于獲得事件視界的圖像。沈志強說：“為了確保信號的穩(wěn)定性，EHT利用原子鐘來確保其收集并記錄的信號在時間上的同步。”

為銀心黑洞提供首個直接視覺證據(jù)

科學(xué)家之前已觀測到眾多恒星圍繞著銀河系中心一個不可見的、致密的、質(zhì)量極大的天體作軌道運動。這已強烈暗示這個被稱作人馬座A*的天體是一個黑洞，而這次發(fā)布的照片則提供了首個直接的視覺觀測證據(jù)。

2019年，人類發(fā)布的第一張黑洞照片，捕獲的是更遙遠(yuǎn)星系M87的中心黑洞M87*。盡管M87*比銀河系中心的黑洞人馬座A*大了1500多倍，也重了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(zhì)量，但當(dāng)我們聚焦在這兩個黑洞的邊緣時，它們看起來又神奇地相似。”來自荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的理論天體物理學(xué)家、EHT科學(xué)委員會聯(lián)合主席薩拉·馬爾科夫教授說：“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(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。”

盡管人馬座A*離地球更近，但是為其拍攝照片卻比M87*艱難得多。來自美國斯圖爾德天文臺、亞利桑那大學(xué)天文系和數(shù)據(jù)科學(xué)所的科學(xué)家Chi-kwanChan解釋道：“周圍氣體均以幾乎接近光速的速度繞著人馬座A*和M87*高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87*一周需要幾天到數(shù)周的時間，但對于小很多的人馬座A*來說，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。這意味著在EHT觀測人馬座A*時，該超大質(zhì)量黑洞周圍繞轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時刻快速變化著。給人馬座A*拍照有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片。”

這項成果的實現(xiàn)，集結(jié)了來自全球80個研究機構(gòu)共300多名研究人員的奇思妙想。除了開發(fā)復(fù)雜的工具來克服人馬座A*成像面臨的挑戰(zhàn)外，EHT合作組織還花了5年時間，用超級計算機合成和分析數(shù)據(jù)，編纂了前所未有的黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測結(jié)果進行嚴(yán)格比對。

未來EHT將拍一部黑洞“電影”

“現(xiàn)在我們能就這兩個超大質(zhì)量黑洞的差異展開研究。”來自天文與天體物理研究所的科學(xué)家KeiichiAsada表示，“利用已有的兩個質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，我們將可以進一步檢驗極端環(huán)境下的引力。”

人馬座A*的照片是由2017年EHT觀測數(shù)據(jù)中提取的諸多照片組合制作而成的。在此后的2018年、2020年和2021年，EHT合作組織并未停止觀測研究的腳步。而且，EHT的臺站數(shù)量還在不斷增加，在2018年新增加了包括格陵蘭望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的3個新的臺站，觀測陣覆蓋范圍進一步擴大。

在未來的計劃里，更多的望遠(yuǎn)鏡將被用來擴展EHT觀測陣，譬如已經(jīng)建成的歐文斯山谷射電天文臺和即將建造的非洲毫米波望遠(yuǎn)鏡。除了望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增加，從2023年開始，EHT將進行0.87毫米波段的觀測，相比于相同情況下的1.3毫米波段的觀測，分辨率提升了近50%。而人馬座A*和M87*仍是EHT合作組織最重要的科學(xué)觀測目標(biāo)，天文學(xué)家正在探究它們是如何隨時間變化的，并對其周圍磁場展開研究。

EHT數(shù)量的持續(xù)擴展和技術(shù)革新將使得科學(xué)家可以分享更多引人注目的天文照片，甚至是黑洞“電影”。“運用下一代EHT拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是天文學(xué)家的追求。”沈志強說，“我們正在規(guī)劃建設(shè)中國的亞毫米波VLBI望遠(yuǎn)鏡，以期參與到對人馬座A*的24小時不間斷的接力觀測中。”

我國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究。此次的EHT合作中，我國科學(xué)家積極參與了早期EHT國際合作的共同推動、EHT觀測時間的共同申請、夏威夷麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡的觀測運行，以及后期數(shù)據(jù)處理分析等。

沈志強說：“我們還將把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)其他目標(biāo)源，制作更多‘甜甜圈’。因為其他‘甜甜圈’更迷你，所以需要更高的角分辨率，建設(shè)空間望遠(yuǎn)鏡或可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。”(何 亮)

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