人類首張銀河中心超大黑洞照片公布

銀河系中心比我們想象的更活躍。

5 月 12 日晚，在世界各地同時舉行的新聞發布會上，天文學家們公布了銀河系中心超大質量黑洞的第一張照片。
這一結果提供了壓倒性的證據，證明我們所在的星系中心確實是一個黑洞，并為此類巨星的運行提供了有價值的線索。一直以來，人們認為大多數星系的中心均存在巨型黑洞。該圖像由一個名為事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope，EHT）的全球研究團隊，使用來自全球多處的 11 臺射電望遠鏡網絡觀測形成結果。
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量黑洞人馬座 A*（Sagittarius A*，或簡稱 Sgr A*），在可見光波段下被銀河系旋臂的宇宙塵埃遮蔽。
「事件視界望遠鏡」陣列將地球上現有的八個射電天文臺連接在一起，形成一個單一的「地球級」虛擬望遠鏡。「事件視界」是黑洞的邊界，光線無法逃脫。雖然我們看不到事件視界本身，因為它不能發光，但圍繞黑洞運行的發光氣體揭示了一個明顯的特征：一個黑暗的中心區域（稱為「陰影」），周圍環繞著一個明亮的環狀結構。
EHT 團隊的研究結果昨天發表在《天體物理雜志快報》（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大引力扭曲的光線，Sgr A* 黑洞的質量是太陽的 400 萬倍。
人馬座 A * 是什么？
人馬座 A * 是是銀河系中心的超大質量黑洞，直徑約為 2200 萬英里，是一個強大的無線電波源。
它在 1974 年首次被發現，但一直以來，科學家都無法對其進行成像。或許，本次發布的新照片能幫助天文學家研究銀河系中心周圍吸積和流出的特性，還將進一步推動黑洞物理學基礎研究。

2020 年的諾貝爾物理學獎就授予了因在銀河系中央發現超大質量天體的德國科學家賴因哈德 · 根策爾和美國科學家安德烈婭 · 蓋茲，英國科學家羅杰 · 彭羅斯因證明黑洞是愛因斯坦廣義相對論的直接結果而同時獲獎。
自上世紀 90 年代初以來，根策爾和蓋茲分別領導一個科研小組，用各種先進望遠鏡觀測銀河系中央「人馬座 A *」區域。他們發現了一個質量巨大且不可見的天體：在不超過太陽系的空間中聚集了約 400 萬個太陽的質量，使周邊恒星急速旋轉。這一開創性工作提供了迄今為止最令人信服的證據，即銀河系中央有一個超大質量的黑洞。
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，剛剛發布的黑洞照片提供了它的第一個直接視覺證據。如下面銀河系中心的標記地圖所示，上面標有人馬座 A* 的確切位置：

事件視界望遠鏡如何「看」到黑洞
對于大眾來說，這次黑洞照片的拍攝者事件視界望遠鏡 (EHT) 并不算陌生，它使用全球射電天文臺網絡來創建一個望遠鏡，等效口徑等同于地球大小。
人馬座 A * 黑洞的最終圖像是團隊使用 EHT 在世界各地的 11 臺望遠鏡提取的不同圖像的平均值：

因為黑洞距離地球大約 2.7 萬光年，因此在我們看來它在天空中的大小與月球上的甜甜圈差不多。為了對其進行成像，EHT 將地球上現有的八個射電天文臺連接在一起，形成一個單一的「地球大小」的虛擬望遠鏡多天觀察人馬座 A*，連續數小時收集數據，類似于在相機上使用長時間曝光。

這一突破是在 EHT 合作于 2019 年發布第一張 M87 星系超大質量黑洞圖像之后發布的，后者位于更遙遠星系的中心位置。
2019 年，EHT 發布了首張位于室女座的超巨橢圓星系 M87 中心的黑洞圖像。它揭示了一個明亮的環狀結構，其中有一個黑暗的中心區域——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 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 合作拍攝的兩個黑洞看起來非常相似，盡管銀河系的黑洞比 M87* 小一千多倍，質量也小一千多倍。

M87 * 雖然更大，但距離我們比 Sgr A * 更遠，因為 M87 黑洞較活躍，所以此前科學家們優先選擇 M87 成像。但從這次的結果來看，銀河系黑洞反而更加特別，三個高亮區域表明銀河系黑洞的吸積盤非常不穩定，物質密度有明顯差異，也有可能剛發生過劇烈擾動。
EHT 科學委員會聯合主席、理論天體物理學教授 Sera Markoff 說道：「這是兩種完全不同類型的星系和截然不同的黑洞質量，但在靠近這些黑洞邊緣的地方，它們看起來驚人地相似。這種現象告訴我們，這些物體受到廣義相對論約束，我們觀察到的差異是由黑洞周圍物質導致的。」
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 Steward 天文臺、天文學系數據科學研究所的 EHT 科學家 Chi-kwan Chan 解釋說：「黑洞附近的氣體以相同的速度移動——幾乎和光一樣快。但在較大的 M87* 中，氣體需要數天到數周才能繞行一圈，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在 EHT 觀察時正在迅速變化——有點像試圖拍一張小狗快速追逐自己尾巴的清晰照片。」
為此，研究人員必須開發復雜的新工具來解釋 Sgr A* 周圍的氣體。Sgr A* 黑洞的圖像是該團隊獲取不同圖像的平均值，最終首次揭開了潛伏在銀河系中心巨人的面紗。
EHT 協作組織中來自世界各地 80 個研究所的 300 多名研究人員共同完成了這項工作。該團隊為此工作五年，使用超級計算機來組合和分析數據，同時編譯了一個全新的模擬黑洞庫以與觀測結果進行比較。

下方四圖展示了三個呈現環狀結構的圖像子集的平均圖像，和一個非環狀結構的圖像子集的平均圖像。柱狀圖表示屬于每個子集的圖像的相對數量，其高度代表了每個子集對最終照片的相對貢獻。

「這項工作清楚地表明了使用無線電、毫米和亞毫米頻率來了解宇宙中最極端環境的重要能力，」NRAO 北美 ALMA 科學中心 (NAASC) 負責人 Tony Remijan 表示。「使用這些頻率范圍是揭示黑洞周圍獨特環境的唯一方法，這些環境在其他頻率下完全被遮蓋。添加 ALMA 對觀察也很重要，因為它提供了必要的靈敏度，可明確地進行觀察。結合來自世界各地設施的所有數據——以 ALMA 作為所有這些設施的錨點——提供了進行這些類型發現所需的靈敏度和分辨率。這僅僅是個開始。ALMA 計劃在未來十年大幅提高靈敏度，在宇宙中還有很多事物等待我們發現。」
科學家們對于獲得兩個尺度極端不同黑洞的圖像非常興奮，這提供了比較和對比的機會。人們已開始使用新數據來測試氣體如何在超大質量黑洞周圍運動的理論和模型。這一過程尚未完全獲得解釋，但被認為在塑造星系的形成和演化方面發揮著關鍵作用。
「現在我們可以研究這兩個超大質量黑洞之間的差異，以獲得有關這一重要過程如何運作的有價值的新線索，」臺北「中央研究院」天文與天體物理研究所的 EHT 科學家 Keiichi Asada 說道。「我們有兩個黑洞的圖像——一個在宇宙中超大質量黑洞的大端，一個在小端——因此我們可以比以往更進一步地測試重力在這些極端環境中的表現。」
EHT 的發現仍在繼續：2022 年 3 月的一次重大觀測活動動用了比以往更多的望遠鏡。EHT 網絡的持續擴展和重大的技術升級將使科學家們在不久的將來分享更令人印象深刻的圖像，甚至黑洞短視頻。
參考內容：https://public.nrao.edu/news/astronomers-reveal-first-image-of-the-black-hole-at-the-heart-of-our-galaxy/