原創(chuàng) 見文末 果殼

就在昨晚（5月12日），咱家銀河系的超大質(zhì)量黑洞——“人馬座A*”（Sagittarius A*，Sgr A*）終于有了它的第一張寫真！

銀河系中心超大黑洞人馬座A*的首張照片 | EHT Collaboration

這張?zhí)厥獾摹皩懻妗眮?lái)自2.7萬(wàn)光年之外的銀河系中心，是中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)聯(lián)合發(fā)布的人馬座A*超大質(zhì)量黑洞成像成果，由事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（Event Horizon Telescope， EHT）拍攝。

距離第一次發(fā)布黑洞“寫真”，已經(jīng)過(guò)去3年了。

此次拍攝的人馬座A*是距離地球最近的超大質(zhì)量黑洞，延續(xù)了M87星系黑洞的“甜甜圈”外觀，但更加蓬松迷你。雖然這張照片上的它看起來(lái)氣質(zhì)平平，卻凝結(jié)著全球眾多科學(xué)家近 20 年的期盼和努力。

此前科學(xué)界普遍認(rèn)為人馬座A*應(yīng)該是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但畢竟只是基于數(shù)據(jù)推測(cè)，還有科學(xué)家認(rèn)為人馬座A*可能只是一種特殊的暗物質(zhì)團(tuán)。而今，隨著黑洞成像的釋出，質(zhì)疑終于被沖散。

阿塔卡馬大型毫米/亞毫米陣列（ALMA）正在仰望銀河系，圖中標(biāo)明了人馬座A*的位置，它是我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞 | ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration

這次成像不僅為銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞提供了確鑿證據(jù)，更意味著天文觀測(cè)技術(shù)取得巨大突破，是全球不容錯(cuò)過(guò)的歷史時(shí)刻。

但問(wèn)題也來(lái)了——明明人馬座A*距地球最近，為什么先成像的卻是更遙遠(yuǎn)的 M87 星系黑洞？

原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)榍罢叱上窀y。

為人馬座A*拍“寫真”，難在哪里？

人馬座A*黑洞距離地球僅2.7萬(wàn)光年，與5500萬(wàn)光年外的M87星系黑洞相比，可以說(shuō)得上是近在遲尺，但拍攝它卻并非易事。

飛向人馬座A*黑洞 | ESO/L. Cal?ada, N. Risinger (skysurvey.org), DSS, VISTA, VVV Survey/D. Minniti DSS, Nogueras-Lara et al., Schoedel, NACO, GRAVITY Collaboration, EHT Collaboration (Music: Azul Cobalto)

作為一個(gè)擁有吞天噬地技能的黑洞，人馬座A*并未展現(xiàn)出它應(yīng)有的“事業(yè)心”，大概1000年才能吞噬一倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)，開疆?dāng)U土的效率僅是M87星系黑洞的百分之一。如此低的活躍性，導(dǎo)致它的吸積盤光芒較弱，很難被望遠(yuǎn)鏡捕獲。

模擬氣體在人馬座A*黑洞外圍的圓形軌道上以大約 30% 的光速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) | ESO/Gravity Consortium/L. Cal?ada

人馬座A*黑洞的 “佛系”，還體現(xiàn)在它的質(zhì)量上——只相當(dāng)于太陽(yáng)的400萬(wàn)倍，這樣的體型在超大質(zhì)量黑洞界過(guò)于嬌小了。因?yàn)轶w型太小，圍繞人馬座A*黑洞旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度也更快。

M87星系黑洞的質(zhì)量有太陽(yáng)的65億倍之多，它的半徑更是人馬座A*黑洞的1500倍以上。相比之下，人馬座A*黑洞的事件視界小而暗淡，對(duì)事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)提出了更高的要求。

好在，人馬座A*離我們也更近，因此在最終的照片上，兩個(gè)黑洞看起來(lái)差不多同樣大小。

兩張黑洞照片的對(duì)比：左為2019年人類首張黑洞照片，展示了M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞；右為今天公布的銀河系中心半人馬A* | EHT

成像困難也不全是人馬座A*自己的鍋，周圍環(huán)境也給拍攝帶來(lái)了很大干擾。

古詩(shī)有云，客泛靈槎犯斗牛，銀河碧海暗通流。人馬座A*黑洞所在的銀河系中心區(qū)域，星光繚繞，塵埃密布，會(huì)遮擋射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)視線。

大量熾熱氣體形成一個(gè)旋渦， 標(biāo)明了銀河系中心人馬座A*黑洞的大致位置 | NASA、ESA、SSC、CXC、STScI

此外，人馬座A*黑洞還開啟了“防偷拍”模式。恒星爆炸和超大質(zhì)量黑洞外流將氣體加熱到數(shù)百萬(wàn)度，熾熱的氣體云和星際塵埃圍繞著黑洞運(yùn)動(dòng)，不時(shí)發(fā)出獨(dú)特閃光將黑洞隱沒(méi)其中。

韋布空間望遠(yuǎn)鏡人馬座A*觀測(cè)團(tuán)隊(duì)的首席研究員法爾哈德?尤瑟-澤德（Farhad Yusef-Zadeh）稱：“在已知的超大質(zhì)量黑洞中，銀河系中心黑洞是唯一有這種獨(dú)特閃光的，雖然不利于拍攝，但使人馬座A*有了更多科學(xué)趣味?！?/p>

這些特性增加了人馬座A*黑洞的成像難度，卻也呈現(xiàn)了一道夢(mèng)幻綺麗的風(fēng)景，這是咱家銀河系黑洞獨(dú)有的魅力。

能為世界帶來(lái)什么？

人馬座A*黑洞的直接成像是一項(xiàng)突破性的天文觀測(cè)成果，但對(duì)于EHT來(lái)講，這只是他們計(jì)劃中的第一個(gè)小目標(biāo)，是在為探索黑洞周圍的物質(zhì)吸積和噴流的形成及傳播作準(zhǔn)備。

藝術(shù)家繪制的超大質(zhì)量黑洞的高速噴流示意圖 | ESA/Hubble, L.Cal?ada (ESO)

接下來(lái)的研究中，最受矚目的當(dāng)屬對(duì)愛因斯坦廣義相對(duì)論的驗(yàn)證。比如，我們是否能拍攝到氣體繞轉(zhuǎn)黑洞的動(dòng)態(tài)過(guò)程？黑洞是已知宇宙中最極端的環(huán)境，其對(duì)光線的引力透鏡效應(yīng)是檢驗(yàn)愛因斯坦相對(duì)論的方法之一。

黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言的一種現(xiàn)象 | 環(huán)球網(wǎng)

未來(lái)，咱家銀河系中最強(qiáng)的引力場(chǎng)——人馬座A*黑洞，將繼續(xù)作為探索愛因斯坦廣義相對(duì)論的理想試驗(yàn)場(chǎng)。

科學(xué)家們對(duì)獲得了兩個(gè)大小非常不同的黑洞圖像非常興奮，他們希望借此機(jī)會(huì)進(jìn)一步測(cè)試重力現(xiàn)象在黑洞極端環(huán)境中的表現(xiàn)，縮小廣義相對(duì)論的計(jì)算誤差，為引力物理學(xué)帶來(lái)全新突破。

恒星 S2 非常接近人馬座A*黑洞時(shí)的運(yùn)行路徑，強(qiáng)引力場(chǎng)導(dǎo)致它變成微紅色（顏色效果和大小經(jīng)過(guò)特殊處理） | ESO/M.Kornmesser

“一開始可能會(huì)產(chǎn)生更多的問(wèn)題，而不是答案”，現(xiàn)任 EHT科學(xué)委員會(huì)副主席塞拉·馬爾科夫（Sera Markoff ）在去年的采訪中說(shuō)。

未來(lái)的研究道路還很漫長(zhǎng)，探索宇宙的終極奧秘才是黑洞研究的星辰大海，也許成效并不會(huì)在一朝一夕中得見，但一定值得我們期待。

黑洞成像背后的功臣

最后，讓我們把目光投向這張寫真的拍攝者、黑洞成像的最大功臣——事件視界望遠(yuǎn)鏡。

這是一個(gè)以觀測(cè)星系中心超大質(zhì)量黑洞為主要目標(biāo)的計(jì)劃，由來(lái)自世界各地 80 個(gè)研究所的 300 多名研究人員共同完成，其中有17位來(lái)自中國(guó)內(nèi)地。

EHT通過(guò)超長(zhǎng)基線干涉（VLBI）技術(shù)，將世界各地的多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡整合成一個(gè)虛擬望遠(yuǎn)鏡，等效口徑等同于地球大小，擁有超高分辨率與靈敏度，如此才能為黑洞拍攝“寫真”。

2019年拍攝M87星系黑洞的8個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡及天文臺(tái) | Ewan O’Sullivan; Iztok Boncina /ESO; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), C. Padilla; Sean Goebel; Joint Astronomy Centre; Sean Goebel

2022年，事件視界望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)陣列已擴(kuò)大到了11個(gè)臺(tái)站 | Thalia Traianou/EHT

為什么人馬座A*是一個(gè)黑洞，事件視界望遠(yuǎn)鏡卻依然可以“看”到它？

通常情況下，被黑洞捕獲的物質(zhì)沿著螺旋形的軌道墜入黑洞，這些物質(zhì)在強(qiáng)大的引力下加速劇烈摩擦，釋放大量電磁波，勾勒出黑洞的陰影。望遠(yuǎn)鏡拍攝到的，并非黑洞本身，而是它的“影分身”。

阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡坐落在智利安第斯山脈的查南托高原，銀河系在天空中看起來(lái)像一團(tuán)微弱發(fā)光的云，人馬座A*黑洞就潛伏在其中心 | Tafreshi/TWAN

EHT項(xiàng)目在M87黑洞首次成像后，就提出了下一代EHT計(jì)劃（即next generation EHT，ngEHT），希望在地球上布設(shè)更多的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，增加觀測(cè)靈敏度及頻率覆蓋等，來(lái)提升黑洞成像的質(zhì)量與速度，以拍攝更清晰的黑洞圖像和第一部黑洞視頻。

中國(guó)西部地區(qū)晴朗干燥遼闊，具備優(yōu)良的觀測(cè)條件，如果未來(lái)能夠布設(shè)亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，或許能為觀測(cè)提供獨(dú)特的基線覆蓋。

事件視界望遠(yuǎn)鏡就是這樣拍攝黑洞照片的 | EHT

我們和黑洞一樣，都是茫茫宇宙的一部分，同享或長(zhǎng)或短的時(shí)光。求索真理是人類能做的最崇高的事情，即便鉆研科學(xué)的過(guò)程是漫長(zhǎng)、艱苦的，但科學(xué)回饋的價(jià)值卻是永恒珍貴的。

黑洞“寫真”僅僅是一個(gè)開始，關(guān)于宇宙的更多奧秘，我們下個(gè)發(fā)現(xiàn)見！

作者：張卓越、王國(guó)燕

原標(biāo)題：《首張銀河系中心黑洞照片公布，還是一個(gè)甜甜圈……》

閱讀原文