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(fā)布會上，天文學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(shù)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(wǎng)絡(luò)觀測形成結(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(xiàn)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?！甘录暯纭故呛诙吹倪吔?，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(fā)光，但圍繞黑洞運行的發(fā)光氣體揭示了一個明顯的特征：一個黑暗的中心區(qū)域（稱為「陰影」），周圍環(huán)繞著一個明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
EHT 團隊的研究結(jié)果昨天發(fā)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(zhì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，但一直以來，科學家都無法對其進行成像?；蛟S，本次發(fā)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(chǔ)研究。

2020 年的諾貝爾物理學獎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(jié)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(lǐng)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(qū)域。他們發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)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(zhì)量，使周邊恒星急速旋轉(zhuǎn)。這一開創(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直接視覺證據(jù)。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(wǎng)絡(luò)來創(chuàng)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(xiàn)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(xù)數(shù)小時收集數(shù)據(jù)，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(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。它揭示了一個明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中有一個黑暗的中心區(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 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(zhì)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(yōu)先選擇 M87 成像。但從這次的結(jié)果來看，銀河系黑洞反而更加特別，三個高亮區(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)生過劇烈擾動。
EHT 科學委員會聯(lián)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(zhì)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(xiàn)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(zhì)導致的?！?/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 Steward 天文臺、天文學系數(shù)據(jù)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(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?！?/span>
為此，研究人員必須開發(fā)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(xié)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(shù)據(jù)，同時編譯了一個全新的模擬黑洞庫以與觀測結(jié)果進行比較。

下方四圖展示了三個呈現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的圖像子集的平均圖像，和一個非環(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子集的圖像的相對數(shù)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(huán)境的重要能力，」NRAO 北美 ALMA 科學中心 (NAASC) 負責人 Tony Remijan 表示?！甘褂眠@些頻率范圍是揭示黑洞周圍獨特環(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(jié)合來自世界各地設(shè)施的所有數(shù)據(jù)——以 ALMA 作為所有這些設(shè)施的錨點——提供了進行這些類型發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)?！?/span>
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(shù)據(jù)來測試氣體如何在超大質(zhì)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(fā)揮著關(guān)鍵作用。
「現(xiàn)在我們可以研究這兩個超大質(zhì)量黑洞之間的差異，以獲得有關(guān)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?！肝覀冇袃蓚€黑洞的圖像——一個在宇宙中超大質(zhì)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(huán)境中的表現(xiàn)?！?/span>
EHT 的發(fā)現(xiàn)仍在繼續(xù)：2022 年 3 月的一次重大觀測活動動用了比以往更多的望遠鏡。EHT 網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)擴展和重大的技術(shù)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(nèi)容：https://public.nrao.edu/news/astronomers-reveal-first-image-of-the-black-hole-at-the-heart-of-our-galaxy/