5個(gè)問題讓你快速看懂首張銀河系中心黑洞照片

出品：科普中國

作者：茍利軍 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)

監(jiān)制：中國科普博覽

就在剛剛，人類首張銀河系中心黑洞照片，新鮮出爐。

銀河系中心黑洞的首張照片?。‥HT合作組織提供）

5月12日21:07，在包括上海在內(nèi)的全球各地同時(shí)召開的新聞發(fā)布會(huì)上，天文學(xué)家向人們展示了位于我們銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的首張照片！

這張照片由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）合作組織這個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)，通過分布在全球的射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)“拍攝”而成。

看到這張銀河系中心黑洞照片，我們都感覺非常興奮，因?yàn)榫嚯x2019年4月10號(hào)人類首張黑洞照片發(fā)布，已經(jīng)過去了3年。而今，這張寶貴的照片又為我們提出了更多的問題，等待我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。

問題一：銀心黑洞距離地球更近，第一張黑洞的照片為什么不是銀心黑洞？

自從2019年看到人類首張黑洞照片（M87中心黑洞照片），人們對(duì)于自己的銀河系中心黑洞的照片念念不忘，一直銘記心中。

在2017年拍攝之后，先是2年之后的2019年，得到了距離我們5500萬光年的M87的黑洞照片，這是我們唯一一次清楚看到黑洞的樣子。相比較銀河系黑洞而言，M87黑洞有極大的優(yōu)勢(shì)，它的轉(zhuǎn)動(dòng)軸只有17度，幾乎是沿著它的轉(zhuǎn)軸方向去看，所以幾乎沒有什么遮擋，所以我們就相對(duì)比較容易地看到了M87黑洞的照片。

M87中心黑洞照片（EHT合作組織提供）

銀河系的超大質(zhì)量黑洞位于銀河系中心，是我們自己星系的超大質(zhì)量黑洞。肯定有人會(huì)覺得，既然就在咱們身邊，拍起來難道不是更容易嗎？

實(shí)際上，正如那句詩說的，“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中” 。雖然這個(gè)黑洞位于銀河系的中心，我們自己卻處于銀河系內(nèi)部，拍起來更不容易。

我們借助于光學(xué)之外的射電和紅外波段，以及其他的星系，逐漸地認(rèn)識(shí)了我們的星系。雖然我們銀河系本身的黑洞（被稱為Sgr. A*）離得近，但是因?yàn)檎趽醯木壒剩瑪?shù)據(jù)處理起來是更困難的，也更加費(fèi)時(shí)，所以，“拍照”需要更多的時(shí)間。

不過，等待也讓這張照片的發(fā)布更加激動(dòng)人心，因?yàn)檫@是我們自己銀河系中心的黑洞照片！這也是EHT合作組織繼2019年發(fā)布人類第一張黑洞照片，捕獲了位于更遙遠(yuǎn)星系M87中央黑洞（M87*）之后的又一重大突破。

問題二：這張銀心黑洞照片怎么拍的？跟M87星系中心黑洞照片的拍攝相比，有哪些新手段？

眾所周知， M87幾乎是處于轉(zhuǎn)軸的方向，而我們是處于銀盤之上，所以與M87相比較來說，銀心黑洞在成像時(shí)會(huì)受到很多的遮擋。比如，在光學(xué)波段去觀察銀河系時(shí)，我們會(huì)看到很大的塵埃等氣體的遮擋，這個(gè)時(shí)候就必須利用波長更長的紅外或射電波段。目前成熟的是毫米波和亞毫米波波段，也就是視界面望遠(yuǎn)鏡，值得一提的是，它利用全球不同的亞毫米和毫米波望遠(yuǎn)鏡組成了一個(gè)陣列，口徑可以達(dá)到上萬公里。

這張照片與2019年所拍攝的M87的照片非常類似，都是利用全球8個(gè)不同的毫米波望遠(yuǎn)鏡，或者簡(jiǎn)稱為event horizon telescope來拍攝的。

這個(gè)龐大的望遠(yuǎn)鏡組合分別為：位于智利的ALMA(Atacma Large Milimiieter/Submeter Array，阿卡塔瑪大型毫米亞毫米陣列 ), 位于南極的SPT(South Pole Telescope), 美國夏威夷的SMA(Submilleter Array), 墨西哥的LMT(Large Millimeter Array，大型毫米波望遠(yuǎn)鏡 ), 位于美國夏威夷的JCMT(James Clerk Maxwell Telescope，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡 )，位于西班牙的IRAM（IRAM 30-m telescope）, 位于智利的APEX（Atacama Pathfinder EXperiment，阿塔卡馬探路者實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡 ），和美國亞利桑那州的SMT（Submillimeter Telescope）。

值得一提的是，美國夏威夷的JCMT望遠(yuǎn)鏡，是中國參與運(yùn)行的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，不少中國科學(xué)家應(yīng)該是在這里進(jìn)行的觀測(cè)。很遺憾的是，目前紅外觀測(cè)能夠達(dá)到的最大直徑是上百米，比如歐洲南方天文臺(tái)的VLT/gravity，觀測(cè)直徑可以達(dá)到130米，但是距離公里的口徑量級(jí)還是相差很大，希望我們?cè)谖磥砜梢岳眉t外波段能夠看到黑洞的照片。

圖片為銀河系各個(gè)波段的照片，自上而下能量逐漸增加，從毫米波到伽馬射線

我們知道，銀河系的黑洞大約只有400萬倍太陽質(zhì)量(根據(jù)2020年諾獎(jiǎng)結(jié)果)，而M87的黑洞達(dá)到了65億倍太陽質(zhì)量，前者比后者小了1650倍。

從大小上而言，銀河系中心的黑洞明顯稍微小一些，但是銀河系中心的黑洞的拍攝難度更大一些，這是因?yàn)椋?span style="line-height: 1.8;">銀河系中心的黑洞的質(zhì)量要比M87小很多，距離要近很多，所以周圍物質(zhì)變化的可能性要大很多。相比觀測(cè)M87的黑洞的情況而言，原本好幾天時(shí)間里的變化，現(xiàn)在變成了在幾分鐘左右內(nèi)就會(huì)發(fā)生，所以觀測(cè)難度更大。比如說，為了這張照片，科學(xué)家們專門開發(fā)了新的復(fù)雜工具來考慮Sgr A*的氣體。

問題三：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?yàn)閱为?dú)觀測(cè)難度很大，所以此次看到的銀河系中心黑洞（Sgr A*）的照片是研究團(tuán)隊(duì)花費(fèi)了好多時(shí)間提取出不同照片，再進(jìn)行平均后的效果。

這也是最終第一次將隱藏在我們銀河系中心的黑洞照片呈現(xiàn)出來。

我們可以回想一下上次照片的時(shí)間：2017年開始拍攝，2019年我們就得到了M87中心黑洞的照片。

然而，一直到5年之后，科學(xué)家們用超級(jí)計(jì)算機(jī)合成和分析數(shù)據(jù)，對(duì)黑洞模擬數(shù)據(jù)庫與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格比對(duì)，才讓我們第一次看到銀河系中心黑洞的照片。感謝科學(xué)家們的智慧和辛勤工作，帶我們看到了前所未有的畫面！

問題四：銀心黑洞只不足銀河系的0.0005%，為什么能夠束縛住數(shù)千億顆恒星呢？

如果從銀河系的結(jié)構(gòu)來看，銀河系的結(jié)構(gòu)可以分為銀核（包括黑洞在內(nèi)）、銀盤和銀暈三個(gè)部分；從質(zhì)量來看，銀河系中心的大黑洞質(zhì)量還不到銀河系質(zhì)量的0.0005%；而從銀河系核心的角度而言，銀河系黑洞僅僅是銀河系核球的一部分。

那么，究竟是什么樣的力量將銀河系的千億顆恒星固定在一個(gè)有限的范圍之內(nèi)呢？所有可見的物質(zhì)是怎么聚集的呢？

其實(shí)，這個(gè)問題在上個(gè)世紀(jì)初的時(shí)候就有人提出了。

天體物理學(xué)家茲威基（Fritz Zwicky）測(cè)量了后發(fā)座星系團(tuán)的恒星，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)的存在。因?yàn)槠澩男愿窈懿皇艽蠹蚁矚g，所以盡管這個(gè)概念是對(duì)的，但是沒有受大家重視。

一直到了1970年，年輕的魯賓（Verin Rubin）和她的導(dǎo)師福特（Kent Ford）先后對(duì)仙女星系中星體旋轉(zhuǎn)速度做了研究。利用高精度的光譜測(cè)量技術(shù)，他們可以探測(cè)到遠(yuǎn)離星系核區(qū)域的外圍星體繞星系旋轉(zhuǎn)速度和距離的關(guān)系。根據(jù)牛頓定律，如果星系的質(zhì)量主要集中在星系核區(qū)的可見星體上，星系外圍的星體的速度將隨著距離而減小。但觀測(cè)結(jié)果表明，在相當(dāng)大的范圍內(nèi)，星系外圍的星體的速度是恒定的。這意味著，星系中可能有大量的不可見物質(zhì)并不僅僅分布在星系核心區(qū)，且其質(zhì)量遠(yuǎn)大于發(fā)光星體的質(zhì)量總和。

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，不可見物質(zhì)（暗物質(zhì)）的質(zhì)量大約比可見質(zhì)量要重10倍左右，而且?guī)缀踅^大多數(shù)的星系都是如此。

這也就是前面那個(gè)問題的答案了，盡管我們銀心的黑洞只是如此小的質(zhì)量，但是在暗物質(zhì)的幫助之下，卻可以束縛住千億顆恒星！

問題五：這張照片的拍攝對(duì)研究有什么意義？

在發(fā)布會(huì)召開前，可能很多人在聽到銀河系中心黑洞照片時(shí)，期待的是看到《星際穿越》電影當(dāng)中的黑洞相似的樣子，然而結(jié)果卻并非如此。

這是因?yàn)?，我們看到的是黑洞很近的部分，如果相?duì)比較遠(yuǎn)的話，那么就會(huì)看到類似于《星際穿越》電影當(dāng)中的景象。

無論如何，相比較之前的M87,這張照片更顯得親近，因?yàn)檫@是我們自己星系黑洞的照片，而且它的拍攝難度更大。

讓我們?cè)僖淮胃兄x所有的科學(xué)工作者，感謝我們中國參與這項(xiàng)研究的科學(xué)家們，讓我們一睹銀河系中心黑洞的樣子，天文探索，永不止步！

責(zé)編：楊雅婷

來源：科普中國