凝视深渊吧!银河系中心首张黑洞照片来了

Daphane

文章来源: 科普中国




银河系中心黑洞的首张照片！（EHT 合作组织提供）


5 月 12 日21:07，在包括上海在内的全球各地同时召开的新闻发布会上，天文学家向人们展示了位于我们银河系中心的超大质量黑洞的首张照片！
这张照片由事件视界望远镜（EHT）合作组织这个国际研究团队，通过分布在全球的射电望远镜组网 " 拍摄 " 而成。
看到这张银河系中心黑洞照片，我们都感觉非常兴奋，因为距离 2019 年 4 月 10 号人类首张黑洞照片发布，已经过去了 3年。而今，这张宝贵的照片又为我们提出了更多的问题，等待我们去探索和发现。
问题一：银心黑洞质量更大，距离地球更近，第一张黑洞的照片为什么不是银心黑洞？
自从 2019 年看到人类首张黑洞照片（M87中心黑洞照片），人们对于自己的银河系中心黑洞的照片念念不忘，一直铭记心中。
在 2017 年拍摄之后，先是 2 年之后的 2019 年，得到了距离我们 5500 万光年的 M87的黑洞照片，这是我们唯一一次清楚看到黑洞的样子。相比较银河系黑洞而言，M87 黑洞有极大的优势，它的转动轴只有 17度，几乎是沿着它的转轴方向去看，所以几乎没有什么遮挡，所以我们就相对比较容易地看到了 M87 黑洞的照片。


M87 中心黑洞照片（EHT 合作组织提供）


银河系的超大质量黑洞位于银河系中心，是我们自己星系的超大质量黑洞。肯定有人会觉得，既然就在咱们身边，拍起来难道不是更容易吗？
实际上，正如那句诗说的，" 不识庐山真面目，只缘身在此山中 "。虽然这个黑洞位于银河系的中心，我们自己却处于银河系内部，拍起来更不容易。
我们借助于光学之外的射电和红外波段，以及其他的星系，逐渐地认识了我们的星系。虽然我们银河系本身的黑洞（被称为 Sgr.A*）离得近，但是因为遮挡的缘故，数据处理起来是更困难的，也更加费时，所以，" 拍照 " 需要更多的时间。
不过，等待也让这张照片的发布更加激动人心，因为这是我们自己银河系中心的黑洞照片！这也是 EHT 合作组织继 2019年发布人类第一张黑洞照片，捕获了位于更遥远星系 M87 中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。
问题二：这张银心黑洞照片怎么拍的？跟 M87 星系中心黑洞照片的拍摄相比，有哪些新手段？
众所周知， M87 几乎是处于转轴的方向，而我们是处于银盘之上，所以与 M87相比较来说，银心黑洞在成像时会受到很多的遮挡。比如，在光学波段去观察银河系时，我们会看到很大的尘埃等气体的遮挡，这个时候就必须利用波长更长的红外或射电波段。目前成熟的是毫米波和亚毫米波波段，也就是视界面望远镜，值得一提的是，它利用全球不同的亚毫米和毫米波望远镜组成了一个阵列，口径可以达到上万公里。
这张照片与 2019 年所拍摄的 M87 的照片非常类似，都是利用全球 8 个不同的毫米波望远镜，或者简称为 eventhorizon telescope 来拍摄的。
这个庞大的望远镜组合分别为：位于智利的 ALMA ( Atacma Large Milimiieter/SubmeterArray，阿卡塔玛大型毫米亚毫米阵列 ) , 位于南极的 SPT ( South Pole Telescope ) , 美国夏威夷的SMA ( Submilleter Array ) , 墨西哥的 LMT ( Large MillimeterArray，大型毫米波望远镜 ) , 位于美国夏威夷的 JCMT ( James Clerk MaxwellTelescope，詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦望远镜 ) ，位于西班牙的 IRAM（IRAM 30-m telescope）,位于智利的 APEX（Atacama Pathfinder EXperiment，阿塔卡马探路者实验望远镜 ），和美国亚利桑那州的SMT（Submillimeter Telescope）。
值得一提的是，美国夏威夷的 JCMT望远镜，是中国参与运行的一个望远镜，不少中国科学家应该是在这里进行的观测。很遗憾的是，目前红外观测能够达到的最大直径是上百米，比如欧洲南方天文台的VLT/gravity，观测直径可以达到 130米，但是距离公里的口径量级还是相差很大，希望我们在未来可以利用红外波段能够看到黑洞的照片。


图片为银河系各个波段的照片，自上而下能量逐渐增加，从毫米波到伽马射线


我们知道，银河系的黑洞大约只有 400 万倍太阳质量 ( 根据 2020 年诺奖结果 ) ，而 M87 的黑洞达到了 65亿倍太阳质量，前者比后者小了 1650 倍。
从大小上而言，银河系中心的黑洞明显稍微小一些，但是银河系中心的黑洞的拍摄难度更大一些，这是因为，银河系中心的黑洞的质量要比M87 小很多，距离要近很多，所以周围物质变化的可能性要大很多。相比观测 M87的黑洞的情况而言，原本好几天时间里的变化，现在变成了在几分钟左右内就会发生，所以观测难度更大。比如说，为了这张照片，科学家们专门开发了新的的复杂工具来考虑Sgr A* 的气体。
问题三：跟 M87 星系中心黑洞照片相比，有哪些不同，有哪些新的信息？
因为单独观测难度很大，所以此次看到的银河系中心黑洞（SgrA*）的照片是研究团队花费了好多时间提取出不同照片，再进行平均后的效果。
这也是最终第一次将隐藏在我们银河系中心的黑洞照片呈现出来。
我们可以回想一下上次照片的时间：2017 年开始拍摄，2019 年我们就得到了 M87 中心黑洞的照片。
然而，一直到 5年之后，科学家们用超级计算机合成和分析数据，对黑洞模拟数据库与观测结果进行严格比对，才让我们第一次看到银河系中心黑洞的照片。感谢科学家们的智慧和辛勤工作，带我们看到了前所未有的画面！
问题四：银心黑洞只不足银河系的 0.0005%，为什么能够束缚住数千亿颗恒星呢？
如果从银河系的结构来看，银河系的结构可以分为银核（包括黑洞在内）、银盘和银晕三个部分；从质量来看，银河系中心的大黑洞质量还不到银河系质量的0.0005%；而从银河系核心的角度而言，银河系黑洞仅仅是银河系核球的一部分。
那么，究竟是什么样的力量将银河系的千亿颗恒星固定在一个有限的范围之内呢？所有可见的物质是怎么聚集的呢？
其实，这个问题在上个世纪初的时候就有人提出了。
天体物理学家兹威基（FritzZwicky）测量了后发座星系团的恒星，结果发现了暗物质的存在。因为兹威基的性格很不受大家喜欢，所以尽管这个概念是对的，但是没有受大家重视。
一直到了 1970 年，年轻的鲁宾（Verin Rubin）和她的导师福特（KentFord）先后对仙女星系中星体旋转速度做了研究。利用高精度的光谱测量技术，他们可以探测到远离星系核区域的外围星体绕星系旋转速度和距离的关系。根据牛顿定律，如果星系的质量主要集中在星系核区的可见星体上，星系外围的星体的速度将随着距离而减小。但观测结果表明，在相当大的范围内，星系外围的星体的速度是恒定的。这意味着，星系中可能有大量的不可见物质并不仅仅分布在星系核心区，且其质量远大于发光星体的质量总和。
现在我们已经知道，不可见物质（暗物质）的质量大约比可见质量要重 10 倍左右，而且几乎绝大多数的星系都是如此。
这也就是前面那个问题的答案了，尽管我们银心的黑洞只是如此小的质量，但是在暗物质的帮助之下，却可以束缚住千亿颗恒星！
问题五：这张照片的拍摄对研究有什么意义？
在发布会召开前，可能很多人在听到银河系中心黑洞照片时，期待的是看到《星际穿越》电影当中的黑洞相似的样子，然而结果却并非如此。

《星际穿越》中黑洞的形象（图片来源于《星际穿越》）


这是因为，我们看到的是黑洞很近的部分，如果相对比较远的话，那么就会看到类似于《星际穿越》电影当中的景象。
无论如何，相比较之前的 M87, 这张照片更显得亲近，因为这是我们自己星系黑洞的照片，而且它的拍摄难度更大。
让我们再一次感谢所有的科学工作者，感谢我们中国参与这项研究的科学家们，让我们一睹银河系中心黑洞的样子，天文探索，永不止步！