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银河系中心黑洞首张照片来了!六个问题看懂银河系中心黑洞首张照片,未来如何拍黑洞“电影”?

作者:尘风发布:05月13日阅读:3次

5月12日晚,事件视界望远镜(EHT)项目和中国科学院上海天文台公布了银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的首张照片。这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片(M87*照片)之后的又一重大突破。

科学家之前已观测到众多的恒星围绕着银河系中心一个不可见的、致密的且质量极大的天体运动。这强烈暗示着这个被称作人马座A*(Sgr A*)的天体是一个黑洞,它的质量是太阳质量的400万倍,距离我们约2.7万光年。此次发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

两个不同大小黑洞的照片为科学家的对照研究提供了条件。他们已经开始用新的数据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。

银河系中心黑洞首张照片来了!六个问题看懂银河系中心黑洞首张照片,未来如何拍黑洞“电影”?

银河系中心黑洞的首张照片。EHT合作组织供图

问题1

什么是超大质量黑洞?

黑洞是一种本身不发光的神秘天体。任何物质,包括光也无法从它身边逃离。黑洞是我们所知的其大小与质量成正比的唯一天体,两个直径相差一千倍的黑洞,它们的质量也相差一千倍。

几乎所有的星系中心都存在黑洞,它们可以成长为数百万或者数十亿倍的太阳质量。根据质量的不同,黑洞一般分为恒星级黑洞(100倍太阳质量以下)、中等质量黑洞(100倍-百万倍太阳质量)和超大质量黑洞(百万倍太阳质量以上)。

上海天文台研究员路如森介绍,按照现在的了解,目前银河系中只有一个超大质量黑洞,银河系中的大部分黑洞都是恒星级黑洞。

问题2

“事件视界望远镜”如何给黑洞拍照片?

黑洞几乎所有质量都集中在最中心的“奇点”处,并在周围形成一个强大的引力场,在一定范围之内,连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界范围被称为黑洞的半径或“事件视界”,也叫“视界面”。

银河系中心黑洞距离地球约2.7万光年,它的大小看上去与从地球上看38万千米远月亮上的甜甜圈大小差不多。为了给黑洞拍照片,研究团队创建了观测利器――事件视界望远镜EHT。

“事件视界望远镜”是世界上第一个能捕捉黑洞图像的实验设备。2017年4月,EHT对Sgr 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,就如同相机的长时间曝光。

落向黑洞的气体会环绕黑洞运动,黑洞强大的引力让它们看起来像包裹着黑洞,导致黑洞视界犹如一个剪影呈现在公众面前,其大小和形状已经被爱因斯坦的理论所预测。

在波长约1毫米的无线电波下,运动的气体显得最为明亮,一个“贪吃”的黑洞就这样“露出马脚”。无线电波虽然很弱,但可以不被阻挡地从星系中心传递到地球上射电望远镜的眼中。

然而,要想看到这种光波,必须建造一座和地球一样大的射电望远镜。事件视界望远镜是由分布在全球6地的8个射电望远镜组成的虚拟望远镜。每个望远镜都会记录来自黑洞附近的无线电波,随后科学家将这些数据组合起来,形成超大质量黑洞视界的图像。

当今,人们手中最精准的每一亿年只会慢一秒的原子钟被用来完成这一任务。观测期间所记录的数据量庞大到不可能通过互联网传输,只能将数据存储在硬盘上,再整箱运回中央主机进行处理。投入的望远镜越多,且两台望远镜越远,图像越清晰。

参与2017年EHT观测的8个望远镜分别是ALMA(阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列)、APEX(阿塔卡马探路者实验望远镜)、IRAM 30米望远镜、JCMT(詹姆斯・克拉克・麦克斯韦望远镜)、LMT(大型毫米波望远镜)、SMA(亚毫米波阵列)、SMT(亚毫米波望远镜)、SPT(南极望远镜)。这些年来,EHT又有新的望远镜加入,包括GLT(格陵兰望远镜)、NOEMA(北方扩展毫米阵列)和基特峰12米望远镜。

问题3

银河系中心黑洞有什么特征?

要保证分布在全球各地的8个望远镜都能看到这两个黑洞,观测窗口期非常短暂,每年只有大约10天,2017年只有4月5日到4月14日合适。

2017年观测的主要是两个超大质量黑洞,一是银河系中心黑洞Sgr A*,二是位于星系M87中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标,是因为它们的视界面在地球上看起来比较大。

Sgr A*的发现归功于两位天文学家Bruce Balick和Robert L.Brown,他们在1974年发表了一篇论文,描述了位于银河系中心的一个明亮的射电源。Sgr A*黑洞的质量大约相当于400万个太阳,所对应的视界面尺寸约为2400万公里,相当于17个太阳直径大小。

问题4

为何银河系中心黑洞成像用了这么长时间?

Sgr A*和M87*同为2017年4月观测,M87*照片已经于2019年4月发布。据悉,尽管Sgr A*离地球更近,这项成果的得来却比M87*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解释道:“黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着Sgr 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Sgr A*来说,几分钟内气体即可绕转一周。这意味着在EHT观测Sgr 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。这有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。”为此,研究人员开发新的复杂的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。

“打个比方,我们平常生活中给静态的物体拍照很轻松,给快速运动的物体拍照就考验技术和水平。”上海天文台副研究员江悟举例说,给Sgr A*拍照的背景仿佛是风起云涌的天气,时刻在变化,M87*的背景则是风轻云淡,拍出来的照片很相似。因此,Sgr A*的黑洞照片是研究团队提取出的不同照片平均后的效果。

除了开发复杂的工具来克服Sgr A*成像面临的挑战外,研究团队还花了五年时间,用超级计算机合成和分析数据,编纂了前所未有的黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对。

问题5

银河系中心黑洞照片长什么样?

黑洞不发光,所以人们看不见黑洞本身,但绕转的发光气体给出了其存在的信号:一个被亮环状结构围绕的暗弱中心区域(阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由黑洞的强大引力弯曲所致。

江悟解释说,最终照片是通过将数千张使用不同计算方法得到的图像平均起来生成的,其保留了所有不同图像中更常见的特征,抑制了不常见的特征。“数千张不同图像的集合根据它们相似的特征分成四个子集,其中三个子集中每个都有数千张照片,其图像都呈环状结构,只是环状周围的亮度分布不同。第四个子集只有数百张照片,包含的图像看上去不像个环。”

所以,最终平均得来的照片是一个明显的环状结构,中心是有暗弱的阴影。这也印证了爱因斯坦广义相对论的预言。

银河系中心的黑洞比M87*直径小了1500多倍,也轻了1500多倍,但两个黑洞看起来格外相似。“它们来自两种不同类型的星系,且具有极不相同的黑洞质量,但当我们聚焦在这些黑洞的边缘时,它们看起来神奇的相似。”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教授说,“这告诉我们,靠近黑洞的物体完全受广义相对论支配,我们在远处看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的”。

问题6

照片有何意义?未来EHT观测有哪些后续计划?

目前,科学家已经开始用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。“我们已有了两个质量相差1500倍以上的黑洞的照片,相比过去,我们将可以进一步更深入地检验极端环境下的引力”。来自天文与天体物理研究所的EHT科学家Keiichi Asada表示。

上海天文台台长沈志强介绍,今年3月份,EHT刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。目前,国际团队已经开始谋划推动下一代视界望远镜项目ngEHT,希望通过更多天线台站的加入,提升目前EHT的阵列性能,获得更清晰的超大质量黑洞的照片。

除了静态照片,未来ngEHT还预期拍摄黑洞的动态电影。他说,这种电影并非大家在影院中所看的电影,目前黑洞每一帧画面都有很大的变化,科学家希望能够把它们连续拍摄下来,形成高质量的图像动画。

“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Sgr A*的24小时不间断的接力观测中。”沈志强说。

新京报记者 张璐

编辑 白爽 校对 赵琳

(责任编辑:马金露 HF120)

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