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2022-05-18 16:42
拍个黑洞,怎么这么难?

本文来自微信公众号:Nature Portfolio (ID:nature-portfolio),作者:Davide Castelvecchi,原文标题:《八个机位、五晚拍摄、五年后期:这个银心黑洞太难出片了》,题图来自:视觉中国


射电天文学家成功对银河系中心的超大质量黑洞进行了成像。这是史上第二张对黑洞的直接成像,该团队曾在2019年公布了一个更遥远黑洞的首张照片(参见:8台望远镜,两年分析:给黑洞拍照不容易)


几天前,事件视界望远镜(EHT)合作组织公布了这张万众瞩目的照片,与第一张类似,这张照片中也有一圈环状辐射包绕着一个黑色圆盘——这个盘的大小与通过间接观测以及爱因斯坦引力论预测的结果完全一致。


这张位于银河系中心的人马座A*(Sagittarius A*)的照片是目前第二张对黑洞的直接成像。来源:Event Horizon Telescope collaboration


“今天,也就是现在,我们可以直接证明这个天体确实是黑洞了。”哈佛-史密松森天体物理中心的天体物理学家Sara Issaoun在德国加兴的新闻发布会上说。该团队在The Astrophysical Journal Letters的一期特刊上发表了其研究结果[1]


“我们在这个项目上已经工作了太久,以至于每隔一段时间你都要掐一下自己,提醒自己这可是我们银河系中心的黑洞啊。”加州理工学院的计算机成像研究员、EHT团队前成员Katie Bouman在华盛顿的新闻发布会上表示,“我想说的是,还有比看到银河系中心黑洞更酷的事吗?”


黑洞观测


在2017年4月的5个夜里,EHT合作组利用全球布设的8台不同望远镜收集了两个黑洞的数据:一个是M87星系中心的黑洞M87*,另一个是以所在星座命名的人马座A*。


这些望远镜的观测地点从西班牙到南极,从智利到夏威夷,累计产生了近4PB(4000TB)的数据。这么大的数据量甚至无法通过网络传输,需要先储存在硬盘里,再用飞机运输。


EHT合作组在2019年公布了M87*的首张黑洞照片(参见:8台望远镜,两年分析:给黑洞拍照不容易),这也是事件视界(event horizon)的首个直接证据——事件视界是覆盖黑洞内部的球面。


但人马座A*的数据分析起来更难一些。从我们的天空观测时,这两个黑洞几乎一样大,这是因为M87*与我们的距离是人马座A*的近2000倍,大小又是它的1600倍。这也意味着,围绕M87*旋转的物质团覆盖的距离更大——超过了冥王星的绕日轨道,而且这些物质团释放的辐射在较短时间内基本是恒定的(参见:引力的风云演变 | 史上第一张黑洞照片动起来了!)。然而,人马座A*的变化速度很快——即使在EHT每天观测它的几小时内也在不断变化。“M87*在一周内的变化幅度很小,”EHT团队联合创始人、荷兰拉德堡德大学的天体物理学家Heino Falcke说,“人马座A*变化的时间尺度则为5到15分钟。”


由于这一差异,EHT合作组给人马座A*拍了不止一张照片,而是几千张,最新公布的这张照片经过了大量后期处理。“通过对所有图像进行平均,我们找到了其中的一些共同特征。”EHT团队成员、安达卢西亚天体物理学研究所的José Gómez说道。


在最后得到的图片中,除了深色盘周围有一圈辐射环,还有三个明亮的“结”。“我们在我们生成的所有图片中都能看到这种结,”Issaoun说,但每张图的结都在不同的位置。这张图片中经过平均的三个结可能是EHT使用的干涉测量(interferometry)技术的伪影,她解释道。这些图是用一台理想化的地球口径射电望远镜拍摄的,但在任何时间里,这台望远镜只能利用微小的镜片收集数据。


这个黑洞的外形和M87*的外形不同,在M87*的照片中,明亮的区域更像一个半月形,可能提示我们有一团更致密的物质正沿着视线方向加速。


该项目的下一个目标是制作这个黑洞的动图,了解它的更多物理特性,亚利桑那大学的天体物理学家Feryal Özel在华盛顿特区的新闻发布会上说道。


EHT合作组还将超级计算机的模拟与他们的数据进行了比较,最后发现人马座A*转轴的指向很有可能沿着地球视线的方向。“转动方向为逆时针”,Gómez说。


“最不可思议的是我们是正对着它。”NASA-戈达德航天中心的天体物理学家Regina Caputo说。Caputo使用的NASA费米伽玛射线太空望远镜曾在该银心的上方和下方探测到巨大的明亮特征,而这很可能是人马座A*在过去的强活动期产生的。不过,这些被称为费米气泡(Fermi bubble)的特征应该会让绕着该黑洞旋转的物质从地球看过去是侧面而不是正面。


超大质量天体


人马座A*存在的线索最早是在1970年代发现的,当时的射电天文学家在银心区域似乎探测到了一个点状射电源。


这个射电源后来被发现异常昏暗,比一颗普通恒星还暗。但对近星运动展开的数十年观测显示,该天体非常巨大:科学家根据最近的观测结果计算发现,其质量是太阳的415万倍,误差0.3%。这些计算结果是通过对人马座A*绕转恒星的运动轨迹进行追踪而得出的,极有力地证明了这个射电源的质量很大,而且致密,其只可能是黑洞。这项发现让加州大学洛杉矶分校的天体物理学家Andrea Ghez以及马克斯·普朗克地外物理学研究所所长Reinhard Genzel共同摘得了2020年诺贝尔物理学奖。(EHT这张照片的暗影大小显示该黑洞约有400万个太阳这么重,这与之前的估算结果一致,但精确度稍差一些。)


来源:Event Horizon Telescope


照理说,人马座A*用光学望远镜是看不到的,因为银盘存在大量尘埃和气体。但在1990年代初,Falcke等人发现,这个黑洞的阴影大小或许刚好能用短射电波成像,而短射电波可以穿透这层遮盖物。可是,研究人员通过计算发现,这么做可能需要一台地球口径的望远镜。幸好,名为干涉测量的技术提供了另一条出路。干涉测量技术利用多架相距遥远的望远镜同时指向同一个天体,就好像一台巨大望远镜的不同镜片在一起观测(见“全球观测”)


使用干涉测量技术对人马座A*的首次观测选择了波长较长的7毫米射电波,以及相距几千公里的多台望远镜。但天文学家最后只看到了一个模糊的点。


随后,世界各地的团队改进了他们的技术,并对一些大型望远镜进行改装,以便这些望远镜也能加入观测网络。值得一提的是,研究团队为此改装了南极望远镜,以及位于智利的造价14亿美元的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵(ALMA)


到了2015年,来自四面八方的团队成立了EHT合作组织。在2017年的观测行动中,他们首次让望远镜之间达到了足够距离,成功分辨出人马座A*大小的具体细节。


未来计划


EHT在2018年收集到了更多数据,但取消了2019和2020年的原定计划,并在2021和2022年带着更先进的网络和更精密的仪器重新开始了观测任务。


亚利桑那大学的EHT成员Remo Tilanus说,在团队今年3月开展的最新观测中,记录信号的速度达到了2017年的两倍,且大部分都是0.87毫米的波长,这有望提升最终图像的分辨率。


研究人员还想知道人马座A*有没有喷流。许多黑洞,包括M87*,都有两束向着相反方向快速喷射的物质流,这被认为是落入气体剧烈受热、受到黑洞自旋驱动的结果。银心上下方的受热物质云提示我们,人马座A*在过去可能也有过大型喷流。现在的喷流也许比之前弱了很多,但喷流的存在仍能揭示关于银河系历史的重要信息。


“这些喷流可以阻止或促进恒星的形成,它们能将化学元素带到各处,”还能影响整个星系的演化,Falcke说,“而我们现在正望着这一切发生的地方。”


(感谢Freda Kreier的补充报道。)


参考文献:Akiyama, K. et al. Astrophys. J. Lett. 930, L12 (2022).


原文以Black hole at the centre of our Galaxy imaged for the first time为标题发表在2022年5月12日《自然》的新闻版块上      © nature  doi: 10.1038/d41586-022-01320-y


本文来自微信公众号:Nature Portfolio (ID:nature-portfolio),作者:Davide Castelvecchi

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