凝望人馬座 A*:銀河系中心超大黑洞“露出真容”
事件回顧
EHT研究團隊花了五年時間,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數據庫,與觀測結果進行嚴格比對,并提取出不同照片平均后的效果,最終得以將銀河系中心這個超大質量黑洞的“真實容貌”,第一次呈現出來。 閱讀全文>>
評論
大事記
來源: 科技日報、科普中國、澎湃新聞、新華社
編輯: 陳可軒
2022-05-13 14:28:40
這是我們自己星系黑洞的照片。北京時間12日晚9時許,包括中國在內的全球多地天文學家同步公布了位于銀河系中心的超大質量黑洞——人馬座 A* (Sgr A*)的首張照片。這項研究為何重要?我們又如何看懂這張照片?

這張照片的拍攝對研究有什么意義?

這張黑洞照片是由“事件視界望遠鏡(EHT)”項目組織實施獲得的。EHT把地球上的8臺射電望遠鏡組合起來,形成了一個口徑如地球大小的“虛擬”望遠鏡,為科學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,具有非常強的引力,在它周圍的一定區域內,連光也無法逃逸出去,這一區域的最大邊界被稱為“事件視界”。實際上,EHT觀測的就是黑洞的“事件視界”。

此次EHT合作組拍攝的人馬座A*首張照片,則提供了銀河系中心超大質量黑洞存在的直接視覺證據,其黑洞周圍產生的現象與理論預測相一致。這張照片成為了自伽利略研究銀河系到現今漫長研究歷史的一個頂點,有助于科學家進一步研究超大質量黑洞周圍氣體行為的理論與模型。>>詳情


銀河系中心的超大質量黑洞人馬座A*,插圖來自EHT合作組,大圖來自NASA

該黑洞距離地球更近,為何拍起來更難?

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

銀河系的超大質量黑洞位于是我們自己的星系——銀河系的中心??隙ㄓ腥藭X得,既然就在咱們身邊,拍起來難道不是更容易嗎?

實際上,正如那句詩說的,“不識廬山真面目,只緣身在此山中” 。我們借助于光學之外的射電和紅外波段,以及其他的星系,逐漸地認識了我們的星系。雖然我們銀河系本身的黑洞(被稱為Sgr. A*)離得近,但是因為遮擋的緣故,數據處理起來是更困難的,也更加費時,所以,“拍照”需要更多的時間。

而相比較銀河系黑洞而言,M87黑洞有極大的優勢,它的轉動軸只有17度,幾乎是沿著它的轉軸方向去看,所以幾乎沒有什么遮擋,所以我們就相對比較容易地看到了M87黑洞的照片。>>詳情


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)

這張銀河系中心黑洞照片怎么拍的?

來自斯圖爾德天文臺、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*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,有點像給一只正在追逐自己尾巴的小狗拍張清晰照片?!?/p>

EHT研究團隊花了五年時間,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數據庫,與觀測結果進行嚴格比對,并提取出不同照片平均后的效果,最終得以將銀河系中心這個超大質量黑洞的“真實容貌”,第一次呈現出來。>>詳情

上海天文臺天馬望遠鏡是東亞VLBI觀測網的重要臺站。在2017年EHT全球聯合多波段觀測期間,天馬望遠鏡先后17次參加對這兩個黑洞的協同觀測,顯著提高了東亞VLBI網的觀測靈敏度,在微弱信號探測方面發揮作用。上海天文臺牽頭組織協調國內學者參與此次銀河系中心黑洞EHT項目合作。>>詳情


上海天文臺天馬望遠鏡。新華社記者 張建松攝

比較這兩張黑洞照片,有哪些不同?

科學家對最終獲得兩個不同大小黑洞的照片尤其興奮,這為他們的對照研究提供了條件。他們已經開始用這些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。

上海天文臺副研究員江悟說:“盡管銀河系中心黑洞比M87黑洞小了1500多倍,也輕了1500多倍,但這兩種不同類型星系的黑洞看起來很相似。尤其是當我們聚焦在這些黑洞的邊緣時,看起來更是神奇地相似。這告訴我們,靠近黑洞的物體完全受廣義相對論支配,我們在遠處所看到的不同表象,是由黑洞周圍物質的差異所造成?!?/p>

上海天文臺研究員路如森說:“通過分析這兩張黑洞照片,我們驚嘆于環的大小與愛因斯坦廣義相對論預測結果,出奇地一致。這些前所未有的觀測,極大地提升了我們對銀河系中心的認識,并為了解超大質量黑洞如何與周圍環境相互作用,提供了全新視角?!?a href="http://www.gsmschwantz.com/cehua/May13thh/202205/6764786768f84bdb9b39dd9c3a984768.shtml">>>詳情


更遙遠星系M87中央黑洞M87*(左)與銀河系中心黑洞人馬座A*(右)的照片對比,圖片均來自EHT合作組

該黑洞的質量為太陽的430萬倍

人馬座A*是位于銀河系中心一個非常光亮及致密的射電波源,它很有可能是離我們最近的超大質量黑洞的所在,因此也被認為是研究黑洞的最佳目標。

德國馬克斯·普朗克地外物理研究所(MPE)的萊因哈德·根澤爾主任帶領的團隊對圍繞人馬座A*運行的恒星進行了長達30年的研究。新的觀測結果與該團隊之前的數據相結合,證實了恒星的運行路徑,這與廣義相對論所預測的繞著一個質量為太陽430萬倍的黑洞運行的物體的路徑完全一致。這是迄今為止對銀河系中心黑洞質量最精確的估計。研究人員還設法微調了到人馬座A*的距離,發現它距離我們2.7萬光年。

根澤爾解釋說:“在人馬座A*附近軌道上跟蹤恒星使我們能夠精確探測離地球最近的大質量黑洞周圍的引力場,以測試廣義相對論,并確定黑洞的性質?!?a href="http://www.gsmschwantz.com/index/kejixinwen/2021-12/15/content_1239188.shtml">>>詳情


德國科學家萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel)(中)和美國科學家安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)(右)

知識鏈接:銀河系中心黑洞研究曾獲諾貝爾獎

2020年諾貝爾物理學獎的一半頒發給上文提到的德國科學家萊因哈德·根澤爾(Reinhard Genzel),和美國科學家安德里亞·蓋茲(Andrea Ghez)。

上世紀90年代初,萊因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲就分別領著一個科研團隊專注于銀河系中心的研究。30余年來,兩位科學家一直致力于銀河系中心黑洞周圍星體運動的觀測,他們觀測到離黑洞比較近的星體,以一個準開普勒軌道旋轉,就像我們地球圍繞太陽轉一樣。這個旋轉軌道表明,銀河系中心一定有一個大約400萬個太陽質量的黑洞存在,這是一個非常精準的測量,測量的難度非常大。

“他們利用世界上最先進的天文望遠鏡進行銀河系中心進行觀測,得到的證據大家都非常信服。我幾乎在我每一個關于黑洞的科普報告里面,都用他們的結果來說明黑洞的存在?!敝袊茖W院高能物理研究所研究員張雙南說。

在學術會議上,我國科學家經??梢砸姷饺R因哈德·根澤爾和安德里亞·蓋茲?!白屓司磁宓氖?,他們幾十年如一日地堅持做一件事情,他們為了證明銀河系中心存在黑洞,花費了幾十年的時間,這是非常不容易的?!敝袊茖W院國家天文臺研究員陸由俊感慨道。>>詳情

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