天文學家發佈銀河系中心黑洞的第一張照片


今日香港時間晚上九時,在世界各地同時舉行的新聞發佈會上,天文學家公佈銀河系中心超大質量黑洞的第一張照片。提供了壓倒性的證據,證明該物體確實是一個黑洞,並為這些巨星的運作提供有價值的線索,這些巨星認為位於大多數星系的中心。該圖像由事件視界望遠鏡(Event Horizo​​n Telescope)全球合作研究團隊,使用來自全球射電望遠鏡網絡的觀測結果製作而成。

這張照片是人們期待已久,對位於我們銀河系中心的巨大天體的觀測。科學家之前曾在銀河系中心看到過恆星圍繞著某種看不見的、緊湊的、巨大的東西運行。這個稱為人馬座 A*(Sgr A*)的天體是一個黑洞,而今天的圖像提供它的第一個直接視覺證據。

我們看不到黑洞本身,因為它完全是黑暗的,但它周圍的發光氣體顯示一個明顯的特徵: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。新的視圖捕捉到由黑洞強大重力彎曲的光線,黑洞的質量是太陽的四百萬倍。

台灣中央研究院天文與天體物理研究所的事件視界望遠鏡項目科學家包傑夫(Geoffrey Bower)表示,我們對環的大小與愛因斯坦廣義相對論的預測如此吻合感到震驚。這些史無前例的觀測極大地提高了我們對銀河系中心發生的事情的理解,並為這些巨大的黑洞如何與周圍環境相互作用提供新的見解。

因為這個黑洞距離地球大約27,000光年,所以它在天空中的大小似乎與月球上的冬甩(donut,中國大陸、台灣稱:甜甜圈)差不多。為了對其進行成像,該團隊創建強大的事件視界望遠鏡,它將地球上現有的八個射電天文台連接在一起,形成一個地球大小的虛擬望遠鏡。事件視界望遠鏡在多個晚上觀察人馬座 A*,連續數小時收集數據,類似於在相機上使用長時間曝光。

就像一台高功率相機一樣,人馬座 A* 的成像需要射電天文學中最靈敏的儀器的支持。這種靈敏度來自美國國家科學基金會國家射電天文台的中央開發實驗室 設計的阿塔卡馬大型毫米波/次毫米波陣列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)上的1.3毫米波段6的接收器。

這次突破是在事件視界望遠鏡合作於2019年發佈的第一張名為M87*的黑洞圖像之後發佈,該黑洞位於更遙遠的梅西耳87(M 87)星系的中心。

事件視界望遠鏡科學委員會聯合主席,荷蘭阿姆斯特丹大學的天體物理學兼理論教授沙拉·馬爾科夫(Sera Markoff)表示,這兩個黑洞看起來非常相似,儘管我們銀河系的黑洞是 M87*的千分之一,質量也更小。我們有兩種完全不同類型的星系和兩個非常不同的黑洞質量,但在靠近這些黑洞的邊緣,它們看起來驚人地相似。這告訴我們,廣義相對論可以近距離控制這些物體,而我們在更遠的地方看到的任何差異都必須是由於黑洞周圍物質的差異。

這次成像比M87*困難得多,儘管人馬座 A*離我們更近。美國史都華天文台(Steward Observatory)暨亞歷桑那大學天文系及資科所的事件視界望遠鏡科學家陳志均解釋說:「黑洞附近的氣體以幾乎與光速一樣快的相同速度在人馬座 A* 和M87* 周圍移動。但是氣體需要數天到數週才能繞較大的M87*運行,而在小得多的人馬座 A* 中,它只需幾分鐘即可以環繞一週。這意味著亮度和人馬座 A* 周圍的氣體模式在事件視界望遠鏡合作組織觀察時迅速變化,情況有點像試圖拍一張小狗快速追尾的清晰照片。」

研究人員必須開發複雜的新工具來解釋人馬座 A* 周圍的氣體運動。雖然M87* 是一個更容易、更穩定的目標,幾乎所有圖像看起來都一樣,但人馬座 A* 的情況並非如此。人馬座 A* 黑洞的圖像是團隊提取的圖像的平均值,最終首次揭開潛伏在我們銀河系中心的巨人。

通過來自世界各地80個研究所的300多名研究人員的獨創性,事件視界望遠鏡協作組共同完成這項工作。除了開發複雜的工具來克服成像人馬座 A*的挑戰外,該團隊還嚴謹地工作了五年,使用超級電腦來組合和分析他們的數據,同時編譯一個前所未有的模擬黑洞庫以與觀測結果進行比較。

科學家對終於獲得兩個大小非常不同的黑洞的圖像特別興奮,因為得到了解它們如何比較和對比的機會。他們還開始使用新數據來測試氣體如何在超大質量黑洞周圍表現的理論和模型。這個過程尚未完全了解,但認為在塑造星系的形成和演化方面發揮了關鍵作用。

台灣中央研究院天文與天體物理研究所副研究員,事件視界望遠鏡科學家淺田圭一說:「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。我們有兩個黑洞的圖像,一個位於宇宙中超大質量黑洞的大端,一個位於小端。因此我們可以比以往任何時候都更進一步地測試重力在這些極端環境中的表現。」

事件視界望遠鏡的進展仍在繼續:2022年3月的一次重大觀測活動包括比以往更多的望遠鏡。事件視界望遠鏡網絡的持續擴展和重大的技術升級將使科學家能夠在不久的將來分享更令人印象深刻的圖像和黑洞電影。

【圖:事件視界望遠鏡合作組織;文:節譯自美國國家射電天文台2022年5月12日新聞公佈】六篇研究論刊登在2022年5月12日出版的《天體物理學快報》特輯之中。包括:

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. II. EHT and Multiwavelength Observations, Data Processing, and Calibration

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III. Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. IV. Variability, Morphology, and Black Hole Mass

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. V. Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VI. Testing the Black Hole Metric

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