首秀！“家門口”的黑洞有照片了

文 ｜《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者 張雙虎 

         黃辛

5月12日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織全球同時(shí)召開新聞發(fā)布會(huì)，向人們展示了位于銀河系中心（Sgr A*）的首張黑洞照片。

“這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于遙遠(yuǎn)星系M87*中央黑洞之后的又一重大突破。”發(fā)布會(huì)上，中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、EHT合作國(guó)內(nèi)協(xié)調(diào)人沈志強(qiáng)介紹說(shuō)，“這為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心‘巨獸’的行為提供了寶貴線索?！?/span>

 銀河系中心黑洞的首張照片  EHT合作組織提供

艱難的“捕獸”

上世紀(jì)60年代末，英國(guó)物理學(xué)家林登貝爾（Lynden-Bell）提出，許多星系在其中心都有一個(gè)質(zhì)量高達(dá)百萬(wàn)倍到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。他斷言這樣一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞是過(guò)去活躍的“類星體階段”的殘余物。同樣，銀河系也不應(yīng)例外。

兩年后， 林登貝爾論證了銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，這讓人們進(jìn)一步理解了類星體的本質(zhì)，不過(guò)探測(cè)與銀河系中心黑洞相聯(lián)系的致密射電源卻經(jīng)歷了一個(gè)艱難的過(guò)程。

因?yàn)楹诙床话l(fā)光，所以我們看不見(jiàn)黑洞自身，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（稱之為陰影）。照片上顯現(xiàn)出的（射電）光都是由該黑洞的強(qiáng)大引力彎曲所致，這個(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍。

銀河系中心黑洞距離地球有27000光年之遙，所以它的大小看上去，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。為了給它拍這張照片，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了觀測(cè)利器EHT，由分布在全球六地的八個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個(gè)猶如地球那么大的虛擬望遠(yuǎn)鏡。如果考慮前期的籌備和測(cè)試階段，有些 EHT 團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)投入了差不多 20 年的時(shí)間。

提供直接視覺(jué)證據(jù)

銀河系中心黑洞比M87*小了1500多倍，研究人員不得不開發(fā)新的復(fù)雜的工具來(lái)考慮圍繞Sgr A*的氣體運(yùn)動(dòng)。因?yàn)镸87*這種穩(wěn)定和幾乎所有圖案都相同的目標(biāo)成像相對(duì)容易，對(duì)于Sgr A*就完全不一樣了。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，最終得以第一次將隱藏在銀河系中心的“巨獸”呈現(xiàn)出來(lái)。

這集結(jié)了來(lái)自全球80個(gè)研究機(jī)構(gòu)共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實(shí)現(xiàn)。除了開發(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)花了5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)。

來(lái)自上海天文臺(tái)的EHT合作成員路如森說(shuō)：“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?！?/span>

另一位來(lái)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?！?/span>

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(lái)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。

“現(xiàn)在我們能就這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的差異展開研究，以獲取對(duì)理解這個(gè)重要過(guò)程有價(jià)值的新線索，”來(lái)自天文與天體物理研究所的EHT科學(xué)家Keiichi Asada表示。“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”。

拍攝黑洞“電影”中國(guó)發(fā)揮更大作用

EHT合作組共有350名成員，其中270名成員參與了Sgr A*成果的發(fā)表。參與者分別來(lái)自21個(gè)國(guó)家和地區(qū)的120個(gè)研究機(jī)構(gòu)，其中包括來(lái)自中科院上海天文臺(tái)、李政道研究所、北京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等7家單位的17位中國(guó)學(xué)者。

“我國(guó)科學(xué)家積極參與早期EHT國(guó)際合作的共同推動(dòng)、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間的共同申請(qǐng)、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)運(yùn)行、后期數(shù)據(jù)處理分析和結(jié)果分析等?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，“此外，2017年EHT全球聯(lián)合多波段觀測(cè)期間，上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡作為東亞VLBI網(wǎng)的主力臺(tái)站參加了17次對(duì)M87*和Sgr A*VLBI協(xié)同觀測(cè)，顯著提高了東亞VLBI網(wǎng)的觀測(cè)靈敏度，在微弱信號(hào)探測(cè)方面發(fā)揮作用?！?/span>

今年3月，EHT剛完成一項(xiàng)有更多望遠(yuǎn)鏡參與的聯(lián)合觀測(cè)。EHT還計(jì)劃在不久的將來(lái)拍攝黑洞“電影”。

“拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求?！鄙蛑緩?qiáng)說(shuō)，“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。”