揭秘银河系中心黑洞成像

揭秘银河系中心黑洞成像
2022年05月15日 02:33 媒体滚动

北京时间5月12日晚9时许,包括中国在内的全球多地天文学家同步公布了银河系中心超大质量黑洞——人马座A*(Sgr A*)的首张照片。

人马座A*是位于银河系中心的一个超大质量黑洞,距离太阳系约2.7万光年,它的质量是太阳质量的400多万倍。

黑洞是引力极强的时空区域,任何东西,甚至光(电磁波),都无法逃逸。因为光无法逃逸,我们称之为“黑”,因为物质无法逃逸,我们称之为“洞”,犹如宇宙的“巨兽”。

拍摄黑洞需要分辨率极高的望远镜,不论是这次银河系中心的黑洞(Sgr A*),还是此前M87星系中心的黑洞(M87*)(人类历史上拍摄的第一张黑洞照片,发布于2019年4月10日),它们的大小看上去与从地球上看38万公里外月亮上的甜甜圈的大小差不多。

为了给黑洞拍照,天文学家们利用甚长基线干涉测量技术,创建了一个观测利器事件视界望远镜(EHT),它是由分布在全球六地的八个射电望远镜组成的一个虚拟望远镜。

黑洞周围的气体均以几乎接近光速绕着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,像给一只正在追逐自己尾巴的小狗拍张清晰照片。因此此次拍摄银心黑洞比M87*难很多。

拍摄过程中,研究团队使用了大型(亚)毫米波望远镜及望远镜阵列,高灵敏度信号接收及高速率数据记录系统,高精度氢原子钟,专用超级计算机,专用数据校准、仿真及成像算法等一系列“高精尖”的设备、算法和软件。

尽管银河系中心的黑洞比M87*小了1500多倍,也轻了1500多倍,但两个黑洞看起来格外相似。这恰恰证实了爱因斯坦广义相对论的预言:所有黑洞有着相同的特性,与质量无关。在黑洞周围,强大的引力战胜了一切其他物理过程。正因为如此,黑洞成了宇宙中唯一拥有相同“外貌”的天体——亮环围绕着中央暗区,就像一个甜甜圈。

“我们从2017年4月当中15天时间段里,挑选了天气晴好的5至7天进行观测。在该段时间内,EHT对目标源进行了观测,每晚观测大约8小时。”中国科学院上海天文台研究员路如森告诉记者。

然而,如果考虑前期的筹备和测试阶段,有些EHT团队成员已经投入了差不多20年的时间。从观测到生成首张图像亦是一项浩大的工程,自从2017年4月完成首批观测数据记录到最终成像又花费了5年时间。目前,事件视界望远镜团队成员来自世界各地,有13个核心参与机构,科研工作者分别来自120个不同单位,分布于东亚、南非、欧洲和南北美洲各地的21个国家和地区,其中中国大陆境内学者17人。

黑洞是宇宙中的奇特存在,它将最大尺度的理论(广义相对论)和最小尺度的理论(量子力学)联系到了一起。虽然不同尺度下的理论能将黑洞的部分性质完美解释,但人们始终不能找到统一而通用的物理理论将黑洞物理详尽描述,比如“黑洞信息悖论”。

“拍摄黑洞照片不仅是为了证明黑洞存在,也是为了能够了解黑洞和落入黑洞的周围气体的性质。”路如森介绍。以往的天文观测已经提供了许多关于黑洞存在的间接证据,并且人们也熟知在距离黑洞相对较远的地方,它们会通过广义相对论所描述的引力影响其环境。然而,我们还从未观测到离黑洞事件视界如此近的距离,黑洞成像的目的正是丰富我们关于这个领域的经验知识。

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