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银河系中心黑洞首张照片问世

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涨知识|首张银河系中心黑洞照片怎么来的

参考消息网5月14日报道 据路透社5月12日报道,科学家周四首次展示了潜伏在银河系中心的“温柔巨人”的真容——一个超大质量黑洞的照片。这个黑洞能够吞噬其巨大引力范围内的任何物质,但目前似乎在“节食”。

“温柔巨人”露出真容

这个黑洞被称作人马座A*,是有史以来第二个被拍到照片的黑洞。这一壮举同样由在2019年公布首张黑洞照片的“事件视界望远镜”(EHT)国际合作组织完成。首张照片中的黑洞位于另一个星系的中心。

美国亚利桑那大学天文学家费娅尔·厄泽尔在华盛顿举行的新闻发布会上盛赞了“我们银河系中心‘温柔巨人’的首个直接影像”。这张照片展示了一个环绕着亮度较暗中心区域的红黄白三色亮环。

人马座A*的质量是太阳的400万倍,距离地球约2.6万光年。光年是指光在一年中行进的距离,大约相当于9.5万亿公里。

美国哈佛-史密森天体物理学中心的天体物理学家迈克尔·约翰逊称,人马座A*“贪吃但低效”,目前吞噬的物质相对较少。

约翰逊说:“假如人马座A*是一个人,那么它每100万年才吃掉一粒大米。”尽管它的质量要比太阳大得多,但释放的能量却仅为太阳释放能量的几百倍。

黑洞是密度超大的物体,引力特别强,甚至连光都无法逃脱,因此观测黑洞极具挑战性。黑洞的事件视界是一个有去无回的点,任何物质(恒星、行星、气体、尘埃和所有形式的电磁辐射)只要一越过它就会湮灭。

这张照片是科学家利用EHT的全球天文台网络拍摄到的,这些天文台合作观测与黑洞有关的无线电发射源。照片显示的是一个环绕在代表真正黑洞的黑暗区域周围的光环,光环其实是以极快速度在事件视界边缘旋转的炽热物质和辐射。这种图像也被称为黑洞的阴影或剪影。

拍摄过程异常复杂

黑洞所处的动态环境(包括在其周围旋转的气体)使得给黑洞拍照变得复杂,正如厄泽尔所说,“在我们观测它时,它是一个汩汩冒泡的源头”。

银河系是一个螺旋星系,包含至少1000亿颗恒星。从上面或下面看,它就像一个旋转的风车,太阳位于其中一个旋臂上,而人马座A*则位于中心。

科学家们正试图更好地了解超大质量黑洞如何在星系历史早期形成并随时间推移演变。

2019年公布的照片所显示的超大质量黑洞位于一个名为“梅西耶87”(M87)的星系。那个黑洞距离地球约5500万光年,质量是太阳的65亿倍。

虽然人马座A*与M87相比离我们太阳系要近得多,但却更难拍照。人马座A*的直径约是太阳的几十倍,这意味着,它若身处太阳系中心,其覆盖区域不会越过水星公转轨道。相比之下,M87的直径则覆盖了我们的整个太阳系。

图像具极高重要性

另据阿根廷布宜诺斯艾利斯经济新闻网5月12日报道,欧洲南方天文台展示了由EHT拍摄的人马座A*的第一张图像。科学家解释了这一发现的重要性。

对天文学来说,这张图像具有极高重要性。我们确实无法看到黑洞本身,因为它是完全黑暗的,但可以观察到一个类似于亮环的结构,那是黑洞的外围。

“我们对环的大小与爱因斯坦广义相对论的预测如此吻合感到惊讶。”EHT的科学家杰弗里·鲍尔在一份公告中解释说。

他还说:“这些史无前例的观测结果极大地增进了我们对银河系中心正在发生的事的了解,进而就这些巨大的黑洞如何与其周边环境相互作用提供了新知识。”

天文学家对我们银河系最重要的疑问之一是其中心是什么。在各项观测结果的支持下,不同理论都提出那里存在一个质量很大的黑洞,吞噬了大量恒星。

由全世界300名科学家组成的欧洲南方天文台团队如今已用图像证明,2.6万光年外的人马座A*是存在的。

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5个问题快速看懂银河系中心超大质量黑洞的首张照片(央视)

5月12日晚

位于银河系中心的超大质量黑洞的

首张照片公布

这张照片由事件视界望远镜(EHT)合作组织

这个国际研究团队

通过分布在全球的射电望远镜

组网“拍摄”而成

看到这张银河系中心黑洞照片

我们都感觉非常兴奋

因为距离2019年4月10日

人类首张黑洞照片发布

已经过去了3年

而今

这张宝贵的照片又为我们

提出了更多的问题

等待我们去探索和发现

问题一:银心黑洞质量更大,距离地球更近,第一张黑洞的照片为什么不是银心黑洞?

自从2019年看到人类首张黑洞照片(M87中心黑洞照片),人们对于自己的银河系中心黑洞的照片念念不忘。

在2017年拍摄之后,先是2年之后的2019年,得到了距离我们5500万光年的M87的黑洞照片,这是我们唯一一次清楚看到黑洞的样子。相比较银河系黑洞而言,M87黑洞有极大的优势,它的转动轴只有17度,几乎是沿着它的转轴方向去看,几乎没有什么遮挡,所以我们就相对比较容易看到M87黑洞的照片。

银河系的超大质量黑洞位于银河系中心,是我们自己星系的超大质量黑洞。肯定有人会觉得,既然就在咱们身边,拍起来难道不是更容易吗?

实际上,正如那句诗说的,“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。虽然这个黑洞位于银河系的中心,我们自己却处于银河系内部,拍起来更不容易。

我们借助于光学之外的射电和红外波段,以及其他的星系,逐渐认识了我们的星系。虽然我们银河系本身的黑洞(被称为Sgr.A*)离得近,但是因为遮挡的缘故,数据处理起来更困难,也更加费时,所以,“拍照”需要更多的时间。

不过,等待也让这张照片的发布更加激动人心,因为这是我们自己银河系中心的黑洞照片!这也是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。

问题二:这张银心黑洞照片怎么拍的?跟M87星系中心黑洞照片的拍摄相比,有哪些新手段?

众所周知, M87几乎是处于转轴的方向,而我们是处于银盘之上,所以与M87相比较来说,银心黑洞在成像时会受到很多的遮挡。比如,在光学波段去观察银河系时,我们会看到很大的尘埃等气体的遮挡,这个时候就必须利用波长更长的红外或射电波段。目前成熟的是毫米波和亚毫米波波段,也就是视界面望远镜,值得一提的是,它利用全球不同的亚毫米和毫米波望远镜组成了一个阵列,口径可以达到上万公里。

这张照片与2019年所拍摄的M87的照片非常类似,都是利用全球8个不同的毫米波望远镜,或者简称为eventhorizon telescope来拍摄的。

这个庞大的望远镜组合分别为:位于智利的ALMA(Atacma Large Milimiieter/SubmeterArray,阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列),位于南极的SPT(South Pole Telescope), 美国夏威夷的SMA(Submilleter Array),墨西哥的LMT(Large Millimeter Array,大型毫米波望远镜), 位于美国夏威夷的JCMT(James Clerk Maxwell Telescope,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜),位于西班牙的IRAM(IRAM 30-m telescope), 位于智利的APEX(Atacama PathfinderEXperiment,阿塔卡马探路者实验望远镜),和美国亚利桑那州的SMT(SubmillimeterTelescope)。

值得一提的是,美国夏威夷的JCMT望远镜,是中国参与运行的一个望远镜,不少中国科学家应该是在这里进行的观测。很遗憾的是,目前红外观测能够达到的最大直径是上百米,比如欧洲南方天文台的VLT/gravity,观测直径可以达到130米,但是距离公里的口径量级还是相差很大,希望我们在未来可以利用红外波段能够看到黑洞的照片。

我们知道,银河系的黑洞大约只有400万倍太阳质量(根据2020年诺奖结果),而M87的黑洞达到了65亿倍的太阳质量,前者比后者小了1650倍。

从大小上而言,银河系中心的黑洞明显稍微小一些,但是银河系中心的黑洞的拍摄难度更大一些,这是因为,银河系中心的黑洞的质量要比M87小很多,距离要近很多,所以周围物质变化的可能性要大很多。相比观测M87的黑洞的情况而言,原本好几天时间里的变化,现在变成了在几分钟左右内就会发生,所以观测难度更大。比如说,为了这张照片,科学家们专门开发了新的复杂工具来考虑Sgr A*的气体。

问题三:跟M87星系中心黑洞照片相比,有哪些不同,有哪些新的信息?

因为单独观测难度很大,所以此次看到的银河系中心黑洞(Sgr A*)的照片是研究团队花费了好多时间提取出不同照片,再进行平均后的效果。

这也是最终第一次将隐藏在银河系中心的黑洞照片呈现出来。

可以回想一下上次照片的时间:2017年开始拍摄,2019年我们就得到了M87中心黑洞的照片。

然而,一直到5年之后,科学家们用超级计算机合成和分析数据,对黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对,才让我们第一次看到银河系中心黑洞的照片。

问题四:银心黑洞只不足银河系的0.0005%,为什么能够束缚住数千亿颗恒星呢?

如果从银河系的结构来看,银河系的结构可以分为银核(包括黑洞在内)、银盘和银晕三个部分;从质量来看,银河系中心的大黑洞质量还不到银河系质量的0.0005%;而从银河系核心的角度而言,银河系黑洞仅仅是银河系核球的一部分。

那么,究竟是什么样的力量将银河系的千亿颗恒星固定在一个有限的范围之内呢?所有可见的物质是怎么聚集的呢?

其实,这个问题在上个世纪初的时候就有人提出了。

天体物理学家兹威基(Fritz Zwicky)测量了后发座星系团的恒星,结果发现了暗物质的存在。因为兹威基的性格很不受大家喜欢,所以尽管这个概念是对的,但是没有受大家重视。

一直到了1970年,年轻的鲁宾(VerinRubin)和她的导师福特(Kent Ford)先后对仙女星系中星体旋转速度做了研究。利用高精度的光谱测量技术,他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。根据牛顿定律,如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上,星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明,在相当大的范围内,星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着,星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区,且其质量远大于发光星体的质量总和。

现在我们已经知道,不可见物质(暗物质)的质量大约比可见质量要重10倍左右,而且几乎绝大多数的星系都是如此。

这也就是前面那个问题的答案了,尽管我们银心的黑洞只是如此小的质量,但是在暗物质的帮助之下,却可以束缚住千亿颗恒星!

问题五:这张照片的拍摄对研究有什么意义?

在发布会召开前,可能很多人在听到银河系中心黑洞照片时,期待的是看到《星际穿越》电影当中的黑洞相似的样子,然而结果却并非如此。

这是因为,我们看到的是黑洞很近的部分,如果相对比较远的话,那么就会看到类似于《星际穿越》电影当中的景象。

无论如何,相比较之前的M87,这张照片更显得亲近,因为这是我们自己星系黑洞的照片,而且它的拍摄难度更大。

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