5月12日,包括中国在内的全球多地天文学家公布了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片。这一成果给出了该天体就是黑洞的实证,为理解这种被认为居于大多数星系中心的“巨兽”的行为提供了宝贵的线索。该照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。
这是关于银河系中心的大质量天体的真面目肖像。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、致密的和质量极大的天体作轨道运动。这暗示这个被称作人马座A*(Sagittarius A*:Sgr A*)的天体是一个黑洞,而此次发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。
因为黑洞不发光,所以我们看不见黑洞自身,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(称之为阴影)。照片上显现出的(射电)光都是由该黑洞的强大引力弯曲所致,这个黑洞的质量超过了太阳质量的四百万倍。
EHT团队的研究成果以特刊的形式,发表在《天体物理学杂志通信》上。银河系中心黑洞距离地球有二万七千光年之遥,因此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,科研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,如同相机的长时间曝光。这是EHT合作组织继2019年发布人类第一张黑洞照片,捕获了位于更遥远星系M87中央黑洞(M87*)之后的又一重大突破。
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。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。
尽管Sgr A*离我们更近,这项成果的得来却比M87*艰难得多。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。
科研人员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,而对于Sgr A*完全不一样。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,最终得以第一次将隐藏在银河系中心的“巨兽”呈现出来。
这集结了来自全球80个研究机构共300多名研究人员组成的EHT合作组织的奇思妙想才得以实现。除了开发复杂的工具来克服Sgr A*成像面临的挑战外,研究团队历经五年时间,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。
科学家对最终获得两个不同大小黑洞的照片尤其兴奋,这为他们的对照研究提供了条件。他们开始用这些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。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。
EHT并未停止观测研究的脚步:就在今年3月份刚完成了有更多望远镜参与的联合观测。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”。