銀河系中心比我們想象的更活躍。

5 月 12 日晚，在世界各地同時(shí)舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，天文學(xué)家們公布了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的第一張照片。
這一結(jié)果提供了壓倒性的證據(jù)，證明我們所在的星系中心確實(shí)是一個(gè)黑洞，并為此類巨星的運(yùn)行提供了有價(jià)值的線索。一直以來(lái)，人們認(rèn)為大多數(shù)星系的中心均存在巨型黑洞。該圖像由一個(gè)名為事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope，EHT）的全球研究團(tuán)隊(duì)，使用來(lái)自全球多處的 11 臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)形成結(jié)果。
這就是銀河系中心黑洞的第一張圖像：

它是位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*，或簡(jiǎn)稱 Sgr A*），在可見(jiàn)光波段下被銀河系旋臂的宇宙塵埃遮蔽。
「事件視界望遠(yuǎn)鏡」陣列將地球上現(xiàn)有的八個(gè)射電天文臺(tái)連接在一起，形成一個(gè)單一的「地球級(jí)」虛擬望遠(yuǎn)鏡?！甘录暯纭故呛诙吹倪吔纾饩€無(wú)法逃脫。雖然我們看不到事件視界本身，因?yàn)樗荒馨l(fā)光，但圍繞黑洞運(yùn)行的發(fā)光氣體揭示了一個(gè)明顯的特征：一個(gè)黑暗的中心區(qū)域（稱為「陰影」），周圍環(huán)繞著一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
EHT 團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果昨天發(fā)表在《天體物理雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）的特刊上：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674

新視圖捕捉到了被黑洞強(qiáng)大引力扭曲的光線，Sgr A* 黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)的 400 萬(wàn)倍。
人馬座 A * 是什么？
人馬座 A * 是是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞，直徑約為 2200 萬(wàn)英里，是一個(gè)強(qiáng)大的無(wú)線電波源。
它在 1974 年首次被發(fā)現(xiàn)，但一直以來(lái)，科學(xué)家都無(wú)法對(duì)其進(jìn)行成像。或許，本次發(fā)布的新照片能幫助天文學(xué)家研究銀河系中心周圍吸積和流出的特性，還將進(jìn)一步推動(dòng)黑洞物理學(xué)基礎(chǔ)研究。

2020 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了因在銀河系中央發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量天體的德國(guó)科學(xué)家賴因哈德 · 根策爾和美國(guó)科學(xué)家安德烈婭 · 蓋茲，英國(guó)科學(xué)家羅杰 · 彭羅斯因證明黑洞是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的直接結(jié)果而同時(shí)獲獎(jiǎng)。
自上世紀(jì) 90 年代初以來(lái)，根策爾和蓋茲分別領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)科研小組，用各種先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河系中央「人馬座 A *」區(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量巨大且不可見(jiàn)的天體：在不超過(guò)太陽(yáng)系的空間中聚集了約 400 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn)。這一開(kāi)創(chuàng)性工作提供了迄今為止最令人信服的證據(jù)，即銀河系中央有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。
距離我們大約 27000 光年的人馬座 A * 靠近人馬座（射手座）和天蝎座（天蝎座）的邊界，也就是上面銀河系圖像中那條黑色的、塵埃分布的軌跡上。
然而，剛剛發(fā)布的黑洞照片提供了它的第一個(gè)直接視覺(jué)證據(jù)。如下面銀河系中心的標(biāo)記地圖所示，上面標(biāo)有人馬座 A* 的確切位置：

事件視界望遠(yuǎn)鏡如何「看」到黑洞
對(duì)于大眾來(lái)說(shuō)，這次黑洞照片的拍攝者事件視界望遠(yuǎn)鏡 (EHT) 并不算陌生，它使用全球射電天文臺(tái)網(wǎng)絡(luò)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，等效口徑等同于地球大小。
人馬座 A * 黑洞的最終圖像是團(tuán)隊(duì)使用 EHT 在世界各地的 11 臺(tái)望遠(yuǎn)鏡提取的不同圖像的平均值：

因?yàn)楹诙淳嚯x地球大約 2.7 萬(wàn)光年，因此在我們看來(lái)它在天空中的大小與月球上的甜甜圈差不多。為了對(duì)其進(jìn)行成像，EHT 將地球上現(xiàn)有的八個(gè)射電天文臺(tái)連接在一起，形成一個(gè)單一的「地球大小」的虛擬望遠(yuǎn)鏡多天觀察人馬座 A*，連續(xù)數(shù)小時(shí)收集數(shù)據(jù)，類似于在相機(jī)上使用長(zhǎng)時(shí)間曝光。

這一突破是在 EHT 合作于 2019 年發(fā)布第一張 M87 星系超大質(zhì)量黑洞圖像之后發(fā)布的，后者位于更遙遠(yuǎn)星系的中心位置。
2019 年，EHT 發(fā)布了首張位于室女座的超巨橢圓星系 M87 中心的黑洞圖像。它揭示了一個(gè)明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中有一個(gè)黑暗的中心區(qū)域——黑洞的陰影。

2019 年，人類拍到的第一張黑洞照片。
從地球上看，它是第二大黑洞，大約是銀河系黑洞的 1000 倍，但距離要遠(yuǎn) 2000 倍。
這張初始圖像在 2021 年更新了一版，包括 M87 黑洞周圍的偏振光：

EHT 合作拍攝的兩個(gè)黑洞看起來(lái)非常相似，盡管銀河系的黑洞比 M87* 小一千多倍，質(zhì)量也小一千多倍。

M87 * 雖然更大，但距離我們比 Sgr A * 更遠(yuǎn)，因?yàn)?M87 黑洞較活躍，所以此前科學(xué)家們優(yōu)先選擇 M87 成像。但從這次的結(jié)果來(lái)看，銀河系黑洞反而更加特別，三個(gè)高亮區(qū)域表明銀河系黑洞的吸積盤非常不穩(wěn)定，物質(zhì)密度有明顯差異，也有可能剛發(fā)生過(guò)劇烈擾動(dòng)。
EHT 科學(xué)委員會(huì)聯(lián)合主席、理論天體物理學(xué)教授 Sera Markoff 說(shuō)道：「這是兩種完全不同類型的星系和截然不同的黑洞質(zhì)量，但在靠近這些黑洞邊緣的地方，它們看起來(lái)驚人地相似。這種現(xiàn)象告訴我們，這些物體受到廣義相對(duì)論約束，我們觀察到的差異是由黑洞周圍物質(zhì)導(dǎo)致的?！?/span>
新的成就比 M87 黑洞困難得多，盡管 Sgr A* 離我們更近。亞利桑那大學(xué) Steward 天文臺(tái)、天文學(xué)系數(shù)據(jù)科學(xué)研究所的 EHT 科學(xué)家 Chi-kwan Chan 解釋說(shuō)：「黑洞附近的氣體以相同的速度移動(dòng)——幾乎和光一樣快。但在較大的 M87* 中，氣體需要數(shù)天到數(shù)周才能繞行一圈，而在小得多的 Sgr A* 周圍，軌道完成一圈只需幾分鐘。這意味著 Sgr A* 周圍氣體亮度和形態(tài)在 EHT 觀察時(shí)正在迅速變化——有點(diǎn)像試圖拍一張小狗快速追逐自己尾巴的清晰照片?！?/span>
為此，研究人員必須開(kāi)發(fā)復(fù)雜的新工具來(lái)解釋 Sgr A* 周圍的氣體。Sgr A* 黑洞的圖像是該團(tuán)隊(duì)獲取不同圖像的平均值，最終首次揭開(kāi)了潛伏在銀河系中心巨人的面紗。
EHT 協(xié)作組織中來(lái)自世界各地 80 個(gè)研究所的 300 多名研究人員共同完成了這項(xiàng)工作。該團(tuán)隊(duì)為此工作五年，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)組合和分析數(shù)據(jù)，同時(shí)編譯了一個(gè)全新的模擬黑洞庫(kù)以與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

下方四圖展示了三個(gè)呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像，和一個(gè)非環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像。柱狀圖表示屬于每個(gè)子集的圖像的相對(duì)數(shù)量，其高度代表了每個(gè)子集對(duì)最終照片的相對(duì)貢獻(xiàn)。

「這項(xiàng)工作清楚地表明了使用無(wú)線電、毫米和亞毫米頻率來(lái)了解宇宙中最極端環(huán)境的重要能力，」NRAO 北美 ALMA 科學(xué)中心 (NAASC) 負(fù)責(zé)人 Tony Remijan 表示?！甘褂眠@些頻率范圍是揭示黑洞周圍獨(dú)特環(huán)境的唯一方法，這些環(huán)境在其他頻率下完全被遮蓋。添加 ALMA 對(duì)觀察也很重要，因?yàn)樗峁┝吮匾撵`敏度，可明確地進(jìn)行觀察。結(jié)合來(lái)自世界各地設(shè)施的所有數(shù)據(jù)——以 ALMA 作為所有這些設(shè)施的錨點(diǎn)——提供了進(jìn)行這些類型發(fā)現(xiàn)所需的靈敏度和分辨率。這僅僅是個(gè)開(kāi)始。ALMA 計(jì)劃在未來(lái)十年大幅提高靈敏度，在宇宙中還有很多事物等待我們發(fā)現(xiàn)?！?/span>
科學(xué)家們對(duì)于獲得兩個(gè)尺度極端不同黑洞的圖像非常興奮，這提供了比較和對(duì)比的機(jī)會(huì)。人們已開(kāi)始使用新數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)試氣體如何在超大質(zhì)量黑洞周圍運(yùn)動(dòng)的理論和模型。這一過(guò)程尚未完全獲得解釋，但被認(rèn)為在塑造星系的形成和演化方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
「現(xiàn)在我們可以研究這兩個(gè)超大質(zhì)量黑洞之間的差異，以獲得有關(guān)這一重要過(guò)程如何運(yùn)作的有價(jià)值的新線索，」臺(tái)北「中央研究院」天文與天體物理研究所的 EHT 科學(xué)家 Keiichi Asada 說(shuō)道?！肝覀冇袃蓚€(gè)黑洞的圖像——一個(gè)在宇宙中超大質(zhì)量黑洞的大端，一個(gè)在小端——因此我們可以比以往更進(jìn)一步地測(cè)試重力在這些極端環(huán)境中的表現(xiàn)?！?/span>
EHT 的發(fā)現(xiàn)仍在繼續(xù)：2022 年 3 月的一次重大觀測(cè)活動(dòng)動(dòng)用了比以往更多的望遠(yuǎn)鏡。EHT 網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)擴(kuò)展和重大的技術(shù)升級(jí)將使科學(xué)家們?cè)诓痪玫膶?lái)分享更令人印象深刻的圖像，甚至黑洞短視頻。
參考內(nèi)容：https://public.nrao.edu/news/astronomers-reveal-first-image-of-the-black-hole-at-the-heart-of-our-galaxy/