首秀！“家門(mén)口”的黑洞有照片了

文 ｜《中國科學(xué)報》記者 張雙虎 

         黃辛

5月12日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織全球同時(shí)召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì )，向人們展示了位于銀河系中心（Sgr A*）的首張黑洞照片。

“這是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類(lèi)第一張黑洞照片，捕獲了位于遙遠星系M87*中央黑洞之后的又一重大突破?！卑l(fā)布會(huì )上，中科院上海天文臺臺長(cháng)、EHT合作國內協(xié)調人沈志強介紹說(shuō)，“這為理解這種被認為居于大多數星系中心‘巨獸’的行為提供了寶貴線(xiàn)索?！?/span>

 銀河系中心黑洞的首張照片  EHT合作組織提供

艱難的“捕獸”

上世紀60年代末，英國物理學(xué)家林登貝爾（Lynden-Bell）提出，許多星系在其中心都有一個(gè)質(zhì)量高達百萬(wàn)倍到幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞。他斷言這樣一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞是過(guò)去活躍的“類(lèi)星體階段”的殘余物。同樣，銀河系也不應例外。

兩年后， 林登貝爾論證了銀河系中心存在一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，這讓人們進(jìn)一步理解了類(lèi)星體的本質(zhì)，不過(guò)探測與銀河系中心黑洞相聯(lián)系的致密射電源卻經(jīng)歷了一個(gè)艱難的過(guò)程。

因為黑洞不發(fā)光，所以我們看不見(jiàn)黑洞自身，但繞轉的發(fā)光氣體給出了其存在的信號：一個(gè)被亮環(huán)狀結構圍繞的暗弱中心區域（稱(chēng)之為陰影）。照片上顯現出的（射電）光都是由該黑洞的強大引力彎曲所致，這個(gè)黑洞的質(zhì)量超過(guò)了太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍。

銀河系中心黑洞距離地球有27000光年之遙，所以它的大小看上去，與從地球上看38萬(wàn)千米遠月亮上的甜甜圈大小差不多。為了給它拍這張照片，研究團隊創(chuàng )建了觀(guān)測利器EHT，由分布在全球六地的八個(gè)射電望遠鏡組成的一個(gè)猶如地球那么大的虛擬望遠鏡。如果考慮前期的籌備和測試階段，有些 EHT 團隊成員已經(jīng)投入了差不多 20 年的時(shí)間。

提供直接視覺(jué)證據

銀河系中心黑洞比M87*小了1500多倍，研究人員不得不開(kāi)發(fā)新的復雜的工具來(lái)考慮圍繞Sgr A*的氣體運動(dòng)。因為M87*這種穩定和幾乎所有圖案都相同的目標成像相對容易，對于Sgr A*就完全不一樣了。Sgr A*的黑洞照片是研究團隊提取出的不同照片平均后的效果，最終得以第一次將隱藏在銀河系中心的“巨獸”呈現出來(lái)。

這集結了來(lái)自全球80個(gè)研究機構共300多名研究人員組成的EHT合作組織的奇思妙想才得以實(shí)現。除了開(kāi)發(fā)復雜的工具來(lái)克服Sgr A*成像面臨的挑戰外，研究團隊花了5年時(shí)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(guān)測結果進(jìn)行嚴格比對。

來(lái)自上海天文臺的EHT合作成員路如森說(shuō)：“確實(shí)，對銀河系中心黑洞首次成像觀(guān)測的數據分析耗費了EHT合作團隊的巨大心血?！?/span>

另一位來(lái)自上海天文臺的EHT合作成員江悟補充道：“研究團隊遍歷了極大的成像參數空間，才得以確定這張黑洞照片?！?/span>

科學(xué)家對最終獲得兩個(gè)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(jīng)開(kāi)始用這些新的數據來(lái)檢驗超大質(zhì)量黑洞周?chē)鷼怏w行為的相關(guān)理論和模型。

“現在我們能就這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞的差異展開(kāi)研究，以獲取對理解這個(gè)重要過(guò)程有價(jià)值的新線(xiàn)索，”來(lái)自天文與天體物理研究所的EHT科學(xué)家Keiichi Asada表示?！拔覀円延辛藘蓚€(gè)質(zhì)量相差1500倍以上的黑洞的照片，相比過(guò)去，我們將可以進(jìn)一步更深入地檢驗極端環(huán)境下的引力”。

拍攝黑洞“電影”中國發(fā)揮更大作用

EHT合作組共有350名成員，其中270名成員參與了Sgr A*成果的發(fā)表。參與者分別來(lái)自21個(gè)國家和地區的120個(gè)研究機構，其中包括來(lái)自中科院上海天文臺、李政道研究所、北京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等7家單位的17位中國學(xué)者。

“我國科學(xué)家積極參與早期EHT國際合作的共同推動(dòng)、EHT望遠鏡觀(guān)測時(shí)間的共同申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀(guān)測運行、后期數據處理分析和結果分析等?！鄙蛑緩娬f(shuō)，“此外，2017年EHT全球聯(lián)合多波段觀(guān)測期間，上海65米天馬望遠鏡作為東亞VLBI網(wǎng)的主力臺站參加了17次對M87*和Sgr A*VLBI協(xié)同觀(guān)測，顯著(zhù)提高了東亞VLBI網(wǎng)的觀(guān)測靈敏度，在微弱信號探測方面發(fā)揮作用?！?/span>

今年3月，EHT剛完成一項有更多望遠鏡參與的聯(lián)合觀(guān)測。EHT還計劃在不久的將來(lái)拍攝黑洞“電影”。

“拍攝這樣一部銀河系中心黑洞的‘電影’，是下一代EHT的追求?！鄙蛑緩娬f(shuō)，“我們正在規劃建設中國的亞毫米波VLBI望遠鏡，以期參與到對Sgr A*的24小時(shí)不間斷的接力觀(guān)測中?！?/span>