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给银河系中心黑洞拍照为何这么难!科学家们还透露了下一步动向

给银河系中心黑洞拍照为何这么难!科学家们还透露了下一步动向
2022年05月12日 23:16 第一财经

  继2019年4月全球科学家发布第一张黑洞照片后,天文学家又有新的重大突破。

  北京时间5月12日21时07分许,在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上,事件视界望远镜(EHT)合作组织正式发布了银河系中心黑洞人马座A*(Sgr A*)的首张照片。这也是全球第二张黑洞照片。

  此前,诺贝尔物理学奖颁给了“银河系中心黑洞的发现”。今天EHT发布的照片提供了该超大质量黑洞存在的直接视觉证据。

图说:银河系中心黑洞的首张照片。图说:银河系中心黑洞的首张照片。

  该照片由分布在地球上的八个射电望远镜组成的、一个等效于地球般大小的虚拟望远镜(即,EHT)所捕获。(EHT合作组织提供)

  离我们更近却更难

  相较于距离我们更远的星系M87中央黑洞照片,本次发布的银河系中心黑洞距离我们更近。

  我们所处的太阳系距银河系中心(Sgr A*)约 2 万 7 千光年,所以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。为了给它拍这张照片,研究团队创建了观测利器EHT,由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜。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。

  “我们惊叹于环的大小与爱因斯坦广义相对论预测结果出奇一致,”来自天文与天体物理研究所的EHT项目科学家Geoffrey Bower说,“这些前所未有的观测极大地提升了我们对银河系中心所发生一切的认识,并为了解超大质量黑洞如何与周围环境相互作用提供了全新视角”。EHT团队的研究成果今天以特刊的形式发表在《天体物理学杂志通信》。

  尽管银河系中心的黑洞比M87*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,”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,我们在远处所看到的不同表象是由黑洞周围物质的差异造成的”。

  EHT在2017年4月几乎同时观测了M87* 和Sgr A*, 尽管Sgr A*离我们更近,这项成果的得来却比M87*艰难得多。原因就是“冲洗”这张照片的技术难度更大。

  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。这意味着就在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。有点像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片”。

  因此,研究人员不得不开发新的复杂的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。为M87*这种稳定和几乎所有图案都相同的目标成像相对容易,对于Sgr A*就完全不一样了。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。

  上海天文台副研究员江悟表示,当时冲洗照片的团队来自全球各地,为了有效记录进展,大家都会在一个共享工作簿上更新工作分工。回翻工作簿上的统计记录,他自己就用上海VLBI天文处理平台的超级计算机完成了不少的工作量。

  国内17位科学家参与

  事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)是一个以直接观测星系中心超大质量黑洞在事件视界尺度上的结构为主要目标的国际合作项目。

  作为一个科学合作组,EHT 的科研目标不仅在于证明黑洞的存在,更要了解更多黑洞相关的物理性质,以及气体被吞噬的过程。以往的天文观测已经提供了许多关于黑洞存在的间接证据,并且人们也熟知在离黑洞相对较远的距离上,有很多现象已经需要运用广义相对论效应来解释。然而,我们还从未观测到离事件视界如此近的距离,从未在黑洞附近来验证熟知的时空理论。

  EHT 是一个由多个望远镜组成的观测网。在2017年的观测中,一共8个天文台参与了观测,分别分布在全球的6个地理位置。在2018年的观测中,一个新的望远镜加入了观测,即一共有 9 个天文台参与,分别分布在7个地理位置。在2021和2022的观测中,又另外有两个望远镜加入了观测。 中国上海天文台牵头组织协调国内17位学者参与此次 EHT 项目合作。

  图说:银河系中心黑洞的首张照片是这样做成的。EHT合作团队将从Sgr A*的2017年EHT观测数据中提取的诸多照片组合制作成一张银河系中心超大质量黑洞Sgr A*的最终照片。(EHT合作组织提供)

  未来要给黑洞拍电影

  目前,科学家已经获得了两个不同大小黑洞的照片,这为他们的对照研究提供了条件。

  “现在我们能就这两个超大质量黑洞的差异展开研究,以获取对理解这个重要过程有价值的新线索,”来自天文与天体物理研究所的EHT科学家Keiichi Asada表示。“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”。

  而且,EHT的持续扩展和技术革新将使得科学家可以分享更引人注目的照片,包括在不久的将来的黑洞“电影”。

  上海天文台的EHT合作国内协调人、上海天文台台长沈志强告诉第一财经,拍摄一部银河系中心黑洞的“电影”,是下一代EHT的追求。“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。”

责任编辑:张建利

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