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银河系中心超大质量黑洞首次“露面”

事件视界望远镜合作组织发布

银河系中心超大质量黑洞首次“露面”

北京时间5月12日,在包括上海在内的全球多地同时召开的新闻发布会上,天文学家向人们展示了位于银河系中心的超大质量黑洞的首张照片(见上图,事件视界望远镜合作组织供图)。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)合作组织这一国际研究团队,通过分布在全球的射电望远镜组网“拍摄”而成。

“组合”全球望远镜拍照

广义相对论预言,虽然黑洞本身不发光,但因为黑洞的存在,周围时空弯曲,气体被吸引下落。气体下落至黑洞的过程中,引力能转化为光和热,因此气体被加热至数十亿摄氏度。黑洞就像沉浸在一片类似发光气体的明亮区域内,看起来就像阴影,阴影周围环绕着一个由吸积或喷流辐射造成的如新月状的光环。

中国科学院上海天文台研究员路如森说:“对黑洞阴影的成像将提供黑洞存在的直接视觉证据。这就必须要保证望远镜足够灵敏,能分辨的细节足够小,从而保证看得到和看得清。”

但满足上述所有条件,望远镜的口径需要像地球直径长度。然而,目前地球上已有的单个望远镜最大口径也只有500米。该怎么办?天文学家们想到了一个好办法——强强联合。把地球上现有的一些望远镜“组合”起来,就能够形成一个口径如地球直径长度的“虚拟”望远镜,其所达到的灵敏度和分辨力都是前所未有的。于是,全球超过200名科学家达成了“事件视界望远镜”这一重大国际合作计划,决定利用甚长基线干涉测量技术。

中科院上海天文台台长、研究员沈志强说:“这一技术就是利用多个位于不同地方的望远镜在同一时间进行联合观测,最后将数据进行相关性分析之后合并,在射电波段已相当成熟。”距离地球有2.7万光年之遥的银河系中心黑洞人马座A*照片,最终就是由分布在全球六地的8个射电望远镜组成的一个犹如地球那么大的虚拟望远镜拍摄而成的。

提供了直接视觉证据

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。这已强烈暗示这个被称作人马座A*(Sagittarius A*:Sgr A*)的天体是一个黑洞,而今天发布的照片则提供了首个直接的视觉证据。

路如森说:“事件视界望远镜对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。”

尽管Sgr A*离我们更近,但这项成果的得来却比M87*艰难得多。路如森解释,黑洞周围的气体均绕着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,这对拍照的技术和水平提出了考验。

为此,研究人员不得不开发新的工具来考虑围绕Sgr A*的气体运动。Sgr A*的照片是研究团队提取出的不同照片平均后的效果,最终展现关于我们银河系中心的超大质量天体真面目的肖像。

未来要对准更多目标源

2019年4月10日,事件视界望远镜合作组织曾公布人类历史上拍摄的第一张黑洞照片。这一形状酷似“甜甜圈”的黑洞被称为M87*,其直接成像帮助人类确认了“黑洞”的存在,也验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。

2021年3月24日,事件视界望远镜合作组织又公布了黑洞在偏振光中的珍贵影像资料。不仅在黑洞首次成像的基础上提高了清晰度,同时发现黑洞周围有一个密度较小、厚度更大的“蓬松”环,而不是一个高密度的薄盘。

相比于2017年,事件视界望远镜合作组织在2018年已经增加了3个新的台站。事件视界望远镜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”。

“拍摄一部银河系中心黑洞的‘电影’,是下一代事件视界望远镜的追求。”沈志强说,“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。”

我国科学家长期关注高分辨率黑洞成像研究。此次的事件视界望远镜合作中,我国科学家积极参与早期事件视界望远镜国际合作的共同推动、事件视界望远镜观测时间的共同申请、夏威夷JCMT望远镜的观测运行、后期数据处理分析等。

沈志强说:“我们还将望远镜对准其他目标源,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,建设空间望远镜可以实现这一目标。”

“未来,我们非常希望能够参与到下一代事件视界望远镜的国际合作中,能够做出更大贡献。在观测和理论方面,我们都会有一定的部署和计划。”中科院上海天文台副台长袁峰说。

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