銀河系中心超大質(zhì)量黑洞首次“露面”
北京時(shí)間5月12日，在包括上海在內(nèi)的全球多地同時(shí)召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)上，天文學(xué)家向人們展示了位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片（見(jiàn)上圖，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織供圖）。這一成果給出了該天體就是黑洞的實(shí)證，為理解這種被認(rèn)為居于大多數(shù)星系中心的“巨獸”的行為提供了寶貴的線索。該照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織這一國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成。
“組合”全球望遠(yuǎn)鏡拍照
廣義相對(duì)論預(yù)言，雖然黑洞本身不發(fā)光，但因?yàn)楹诙吹拇嬖冢車(chē)鷷r(shí)空彎曲，氣體被吸引下落。氣體下落至黑洞的過(guò)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(lèi)似發(fā)光氣體的明亮區(qū)域內(nèi)，看起來(lái)就像陰影，陰影周?chē)h(huán)繞著一個(gè)由吸積或噴流輻射造成的如新月?tīng)畹墓猸h(huán)。
中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)研究員路如森說(shuō)：“對(duì)黑洞陰影的成像將提供黑洞存在的直接視覺(jué)證據(jù)。這就必須要保證望遠(yuǎn)鏡足夠靈敏，能分辨的細(xì)節(jié)足夠小，從而保證看得到和看得清。”
但滿(mǎn)足上述所有條件，望遠(yuǎn)鏡的口徑需要像地球直徑長(zhǎng)度。然而，目前地球上已有的單個(gè)望遠(yuǎn)鏡最大口徑也只有500米。該怎么辦？天文學(xué)家們想到了一個(gè)好辦法——強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。把地球上現(xiàn)有的一些望遠(yuǎn)鏡“組合”起來(lái)，就能夠形成一個(gè)口徑如地球直徑長(zhǎng)度的“虛擬”望遠(yuǎn)鏡，其所達(dá)到的靈敏度和分辨力都是前所未有的。于是，全球超過(guò)200名科學(xué)家達(dá)成了“事件視界望遠(yuǎn)鏡”這一重大國(guó)際合作計(jì)劃，決定利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)。
中科院上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、研究員沈志強(qiáng)說(shuō)：“這一技術(shù)就是利用多個(gè)位于不同地方的望遠(yuǎn)鏡在同一時(shí)間進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析之后合并，在射電波段已相當(dāng)成熟。”距離地球有2.7萬(wàn)光年之遙的銀河系中心黑洞人馬座A＊照片，最終就是由分布在全球六地的8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)鏡拍攝而成的。
提供了直接視覺(jué)證據(jù)
科學(xué)家之前已觀測(cè)到眾多的恒星圍繞著銀河系中心一個(gè)不可見(jiàn)的、致密的和質(zhì)量極大的天體作軌道運(yùn)動(dòng)。這已強(qiáng)烈暗示這個(gè)被稱(chēng)作人馬座A＊（Sagittarius A＊：Sgr A＊）的天體是一個(gè)黑洞，而今天發(fā)布的照片則提供了首個(gè)直接的視覺(jué)證據(jù)。
路如森說(shuō)：“事件視界望遠(yuǎn)鏡對(duì)Sgr A＊開(kāi)展了多個(gè)晚上的觀測(cè)，每次連續(xù)采集了好幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)，就如同相機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間曝光。”
盡管Sgr A＊離我們更近，但這項(xiàng)成果的得來(lái)卻比M87＊艱難得多。路如森解釋?zhuān)诙粗車(chē)臍怏w均繞著Sgr A＊和M87＊高速旋轉(zhuǎn)。氣體繞轉(zhuǎn)M87＊一周需要幾天到數(shù)周時(shí)間，但對(duì)于相對(duì)小很多的Sgr A＊來(lái)說(shuō)，幾分鐘內(nèi)氣體即可繞轉(zhuǎn)一周。“這意味著就在EHT觀測(cè)Sgr A＊之時(shí)，該超大質(zhì)量黑洞周?chē)@轉(zhuǎn)氣體的亮度和圖案也在時(shí)刻快速變化著，這對(duì)拍照的技術(shù)和水平提出了考驗(yàn)。
為此，研究人員不得不開(kāi)發(fā)新的工具來(lái)考慮圍繞Sgr A＊的氣體運(yùn)動(dòng)。Sgr A＊的照片是研究團(tuán)隊(duì)提取出的不同照片平均后的效果，最終展現(xiàn)關(guān)于我們銀河系中心的超大質(zhì)量天體真面目的肖像。
未來(lái)要對(duì)準(zhǔn)更多目標(biāo)源
2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織曾公布人類(lèi)歷史上拍攝的第一張黑洞照片。這一形狀酷似“甜甜圈”的黑洞被稱(chēng)為M87＊，其直接成像幫助人類(lèi)確認(rèn)了“黑洞”的存在，也驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的正確性。
2021年3月24日，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織又公布了黑洞在偏振光中的珍貴影像資料。不僅在黑洞首次成像的基礎(chǔ)上提高了清晰度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)黑洞周?chē)幸粋�(gè)密度較小、厚度更大的“蓬松”環(huán)，而不是一個(gè)高密度的薄盤(pán)。
相比于2017年，事件視界望遠(yuǎn)鏡合作組織在2018年已經(jīng)增加了3個(gè)新的臺(tái)站。事件視界望遠(yuǎn)鏡的持續(xù)擴(kuò)展和技術(shù)革新將使得科學(xué)家可以分享更引人注目的照片，包括在不久的將來(lái)的黑洞“電影”。
“拍攝一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡的追求。”沈志強(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。”
我國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期關(guān)注高分辨率黑洞成像研究。此次的事件視界望遠(yuǎn)鏡合作中，我國(guó)科學(xué)家積極參與早期事件視界望遠(yuǎn)鏡國(guó)際合作的共同推動(dòng)、事件視界望遠(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)處理分析等。
沈志強(qiáng)說(shuō)：“我們還將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)其他目標(biāo)源，制作更多‘甜甜圈’。因其他‘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)鏡可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”
“未來(lái)，我們非常希望能夠參與到下一代事件視界望遠(yuǎn)鏡的國(guó)際合作中，能夠做出更大貢獻(xiàn)。在觀測(cè)和理論方面，我們都會(huì)有一定的部署和計(jì)劃。”中科院上海天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)袁峰說(shuō)。
